JP4232484B2 - エジェクタおよび蒸気圧縮式冷凍機 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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蒸気圧縮式冷凍機（以下、エジェクタサイクルという。）に適用して有効である。
【０００２】
【従来の技術】
エジェクタの巻き込み作用を高めてポンプ作用を高めるには、ノズルから噴射する冷媒の流速を高くする必要がある。そこで、従来のエジェクタサイクルでは、流体通路途中に通路面積が最も縮小した喉部、及び喉部以降に流体通路断面積が下流側に向かうほど拡大するディフューザ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）を用いている（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
なお、理想的なラバールノズルでは、ノズルに流入した冷媒は、喉部に向かうほど絞られて流速が増大し、喉部にて臨界状態、つまり流速がマッハ１となる。そして、喉部を通過した冷媒は、ディフューザ部にて沸騰膨脹して流速がマッハ１を超える。
【０００４】
また、エジェクタサイクルの運転条件によってノズルを流れる冷媒流量が変化したときに対応するため、従来は、ノズルの上流に可変絞り弁を設ける、又はノズルの出口面積を変化させていた（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１０−２０５８９８号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平５−３１２４２１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ラバールノズルを採用するには、以下に述べる課題がある。
【０００８】
（１）ラバールノズルにおいてディフューザ部の拡がり角θは流れの剥離を抑制して高いノズル効率（＝ノズル噴流の運動エネルギ／冷媒の膨張エネルギ）を得るために、一般的に１°〜２°程度必要とされる。
【０００９】
また、ノズルを通過する冷媒流量は喉部の面積に略比例して変化するため、製造時に喉部の面積、つまり喉部の口径の寸法を厳しく管理する必要がある。具体的には、家庭用空調装置や自動車用空調装置に用いる冷媒流量程度の場合、喉部口径の公差を数十μｍ以下とする必要となる。
【００１０】
したがって、ラバールノズルでは、ディフューザ部の精密テーパ加工やノズル内部にある喉部の精密加工等の寸法を厳しく管理する必要があるため、ノズルの製造が難しい問題がある。
【００１１】
（２）冷蔵庫のように比較的熱負荷変動の小さな冷凍装置では、一般的に、ラバールノズルを用いるとともに、サイクルバランスは成り行きに任せているが、ノズルを設計する際には、特定の条件（例えば、最も熱負荷が大きいとき等）で適正膨張するように寸法が選定される。
【００１２】
このため、熱負荷が変動する等して圧力条件が変化したときには、ノズルで膨張不足や過膨張が生じてノズルの効率が低下し、エジェクタの性能が低下してしまう問題がある。
【００１３】
因みに、図１９は圧力条件が変化したときのノズル内圧力の模式図であり、図１９（ａ）はノズル出口圧Ｐｌが一定でノズル入口圧が変化した場合である。そして、入口圧がＰｈ１ではノズル出口圧とＰｌが一致し適正膨張するがＰｈ２では不足膨張となるためノズル効率が低下する。
【００１４】
また、図１９（ｂ）はノズル出口圧が変化した場合であるが、Ｐｌ３では適正膨張するがＰｌ４では不足膨張となりノズル効率が低下する。このように圧力条件の変化がノズル効率の低下を招く。なお、詳細は流体工学（東京大学出版会）の２０３頁等を参照のこと。
【００１５】
（３）特許文献２に記載の発明では、ニードルの先端径が大きいため、ニードル下流で冷媒流れに乱れが生じ易く、エジェクタ効率の低下を招き易い。
【００１６】
また、特許文献２に記載の発明に類似した可変ノズルとして、喉部の有効通路断面積、つまり実際に冷媒が流通し得る通路断面積をニードル弁により変化させることも考えられるが、喉部の有効通路面積を変えても、喉部より下流側は流路面積が変化しないので、図２０に示すように、喉部の有効通路面積、つまり喉部の絞り面積を小さくするほど過膨張が大きくなってしまい、ノズルから噴射する冷媒の流速を超音速まで加速することができない。
【００１７】
なお、図２１は二酸化炭素冷媒において、ノズル入口の温度・圧力条件が一定ものとで、ノズルのディフューザ部内の圧力分布を無次元量（＝ディフューザ部各部における流路断面積／喉部面積）でまとめたものである。因みに、この関係は超音速流のみに適用でき、過膨張後に衝撃波が生じてノズル内で圧力が上昇するところには適用できない。
【００１８】
そして、図２１から明らかなように、喉部の通路面積が変化したときも圧力と無次元量との関係は殆ど変化せず、喉部の通路面積を小さくし、かつ、ノズル出口の面積を変化させない場合には、ノズル出口における「流路面積／喉部面積」が大きくなり、仮に超音速流で膨張すると、より低い圧力まで膨張するので、過膨張が生じノズル効率の低下を招く。
【００１９】
以上に述べたように、喉部の通路面積によりノズルの流量特性が決定され、ノズル出口面積により喉部以降の適正膨張条件が決定されるため、エジェクタサイクルにおいて必要とされる冷凍能力、つまり冷凍能力の仕様や設計圧力条件が変化するとそれに応じたノズルを作る必要がある。
【００２０】
このため、必要とされる冷凍能力や運転条件の異なる複数種類のエジェクタサイクルを作る場合、それぞれの仕様に合わせた専用のノズルを製造しなければならないので、設備投資の増大や多種のノズルを管理するために発生する工数などによりエジェクタサイクル、つまりノズルの製造原価上昇を招く。
【００２１】
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、上記した複数の課題のうち少なくとも１つの課題を解決することを目的とする。
【００２２】
【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、流体出口（４１ｂ）に向かうほど通路面積が縮小していく先細テーパ部（４１ｃ）が形成されたノズル（４１）を有し、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輸送を行う運動量輸送式ポンプであるエジェクタであって、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、先端側が流体出口（４１ｂ）より流体流れ下流側まで到達しているニードル（４４）を備え、先細テーパ部（４１ｃ）とニードルのテーパ部（４４ａ）との間に形成される冷媒通路（４１ａ）は、ノズル出口（４１ｂ）にて冷媒通路断面積が最小となり、先細テーパ部（４１ｃ）のテーパ角（φ１）は、ニードル（４４）のテーパ角（φ２）より大きく形成されていることを特徴とする。
【００２３】
これにより、後述する図５（ａ）、（ｂ）に示すように、流体出口（４１ｂ）から噴出した流体は、慣性及びコアンダ効果等によりニードル（４４）の表面に沿って流れようとする。
【００２４】
このとき、ニードル（４４）の断面積は下流に向かうほど小さくなるので、ノズル（４１）から吹き出すノズル噴流Ａは、下流側に向かうほどノズル（４１）の中心軸側に徐々に拡がっていく。
【００２５】
一方、ノズル噴流Ａの外側の噴流界面Ａｏは、ノズル噴流Ａと吸引された低圧流体とが釣り合う位置まで拡がる。つまりノズル（４１）に流れ込む流体量が大きく、ノズル噴流Ａと低圧流体との圧力差が大きいときには、図５（ａ）に示すように噴流界面Ａｏの直径が拡大し、逆に、ノズル４１に流れ込む流体量が小さく、ノズル噴流Ａと低圧流体との圧力差が小さいときには、図５（ｂ）に示すように噴流界面Ａｏの直径が縮小する。
【００２６】
したがって、本発明では、ノズル（４１）に流入した冷媒は、流体出口（４１ｂ）に向かうほど絞られて流速が増大し、流体出口（４１ｂ）にて臨界状態、つまり流速がマッハ１となる。
【００２７】
そして、流体出口（４１ｂ）から噴射したノズル噴流Ａは、図５に示すように膨脹して沸騰するため、流速がマッハ１を超えて超音速となる。つまり、ノズル（４１）内を流れる流体及びノズル噴流Ａは、あたかもラバールノズルを用いたかのごとく、超音速まで膨脹加速される。
【００２８】
このとき、本発明では、ノズル噴流Ａの噴流界面Ａｏは、低圧流体との圧力差に応じて決定されるバランスが取れた自然な形、つまり適正膨脹形態となるのに対して、通常のラバールノズルでは、ディフューザ部の形状が予め設定された固定形状であるため、喉部から噴射した冷媒は、必ずしも適正な膨脹形態で膨脹することができない。
【００２９】
すなわち、本発明では、適正な膨脹形態で膨脹するようにノズル噴流Ａの噴流界面Ａｏが自然に変化して自己調整されるのに対して、通常のラバールノズルでは、膨脹形態がディフューザ部の形状により規制されて、必ずしも適正な膨脹形態で膨脹することができない。
【００３０】
以上に述べたように、本発明では、流体出口（４１ｂ）から突き出たニードル（４４）に沿ってノズル噴流Ａを流すことによって、ノズル噴流Ａの噴流断面積を徐々に大きくするとともに、ノズル噴流Ａと低圧流体の界面を運転条件に応じて自由に変化させることで適正に近い膨張形態を実現することができる。
【００３１】
また、流体を膨脹加速するためのディフューザ部を設ける必要がないので、ノズル（４１）の製造工数を低減することができる。
【００３２】
また、流体出口（４１ｂ）を冷媒通路面積が最も小さくなる部位とすればよいので、ノズル内冷媒通路途中に冷媒通路面積が最も小さくなる部位を設けるラバールノズルに比べて、加工性や公差管理が容易になるので、ノズル（４１）の製造原価を低減することができる。
【００３３】
請求項２に記載の発明では、流体出口（４１ｂ）側に向かうほど通路面積が縮小していく先細テーパ部（４１ｃ）、及び先細テーパ部（４１ｃ）のうち通路断面積が最も縮小した喉部（４１ｄ）から連なり、通路断面積が略一定のストレート部（４１ｅ）が形成されたノズル（４１）を有し、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輸送を行う運動量輸送式ポンプであるエジェクタであって、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、先端側が喉部（４１ｄ）より流体流れ下流側まで到達しているニードル（４４）を備え、先細テーパ部（４１ｃ）とニードルのテーパ部（４４ａ）との間に形成される冷媒通路は、喉部（４１ｄ）にて冷媒通路断面積が最小となり、先細テーパ部（４１ｃ）のテーパ角（φ１）は、ニードル（４４）のテーパ角（φ２）より大きく形成されていることを特徴とする。
【００３４】
これにより、請求項１に記載の発明と同様に、喉部（４１ｄ）から突き出たニードル（４４）に沿ってノズル噴流Ａを流すことによって、ノズル噴流Ａの噴流断面積を徐々に大きくするとともに、ノズル噴流Ａと低圧流体の界面を運転条件に応じて自由に変化させることで適正に近い膨張形態を実現することができる。
【００３５】
なお、ストレート部（４１ｅ）を長くしすぎると、「発明が解決しようとする課題」の欄で述べた無次元量（流路断面積／喉部面積）が過大となって、ストレート部（４１ｅ）内で過膨張してノズル効率の低下を招くので、ストレート部（４１ｅ）の長さは過膨張が発生しない程度の長さとする必要がある。
【００３６】
また、流体を膨脹加速するためのディフューザ部を設ける必要がないので、ノズル（４１）の製造工数を低減することができる。
【００３７】
また、ストレート部（４１ｅ）が設けられているので、テーパ加工用の刃物の総送り量が変動しても、ストレート部（４１ｅ）が残存する限り、最も通路断面積が小さくなる部位、つまり喉部（４１ｄ）の穴径は、ストレート部（４１ｅ）の穴径となる。したがって、最も通路断面積が小さくなる部位の穴径バラツキを容易に管理することができるので、ノズル（４１）の製造工数を低減することができる。
【００３８】
請求項３に記載の発明では、流体出口（４１ｂ）に向かうほど通路面積が縮小していく先細テーパ部（４１ｃ）が形成されたノズル（４１）を有し、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輸送を行う運動量輸送式ポンプであるエジェクタであって、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、先端側が流体出口（４１ｂ）より流体流れ下流側まで到達しているニードル（４４）を備え、ニードル（４４）のテーパ角（φ２）は、先端側と根元側とで相違しており、先細テーパ部（４１ｃ）とニードルのテーパ部（４４ａ）の根元側との間に形成される冷媒通路は、ノズル出口（４１ｂ）にて冷媒通路断面積が最小となり、先細テーパ部（４１ｃ）のテーパ角（φ１）は、ニードル（４４）の根元側テーパ角（ψ２）より大きく形成されていることを特徴とする。これにより、請求項１に記載の発明と同様の効果を得ることができる。
請求項４に記載の発明では、流体出口（４１ｂ）側に向かうほど通路面積が縮小していく先細テーパ部（４１ｃ）、及び先細テーパ部（４１ｃ）のうち通路断面積が最も縮小した喉部（４１ｄ）から連なり、通路断面積が略一定のストレート部（４１ｅ）が形成されたノズル（４１）を有し、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輸送を行う運動量輸送式ポンプであるエジェクタであって、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、先端側が喉部（４１ｄ）より流体流れ下流側まで到達しているニードル（４４）を備え、ニードル（４４）のテーパ角（φ２）は、先端側と根元側とで相違しており、先細テーパ部（４１ｃ）とニードルのテーパ部（４４ａ）の根元側との間に形成される冷媒通路は、喉部（４１ｄ）にて冷媒通路断面積が最小となり、先細テーパ部（４１ｃ）のテーパ角（φ１）は、ニードル（４４）の根元側テーパ角（ψ２）より大きく形成されていることを特徴とする。これにより、請求項２に記載の発明と同様の効果を得ることができる。
【００３９】
請求項５に記載の発明では、ニードル（４４）の先端側テーパ角（ψ１）は、ニードル（４４）の根元側テーパ角（ψ２）に比べて小さいことを特徴とするものである。
【００４０】
請求項６に記載の発明では、ニードル（４４）の先端部は、略球面状又は平面状に形成されていることを特徴とする。
【００４１】
これにより、ニードル（４４）のテーパ部分の加工性が向上するとともに、壊蝕による形状変化を抑制できる。
【００４２】
請求項７に記載の発明では、ニードル（４４）を、その軸方向に変位させるアクチュエータ（４７）を備えていることを特徴とするものである。
【００４３】
請求項８に記載の発明では、請求項１ないし７のいずれか１つに記載のエジェクタにて冷媒を循環させることにより、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機を特徴とするものである。
【００４４】
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。
【００４５】
【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を車両空調装置用のエジェクタサイクルに適用したものであり、図１は二酸化炭素を冷媒とするエジェクタサイクル１の模式図であり、図２はエジェクタ４０の模式図であり、図３はノズル４１の拡大図である。
【００４６】
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周知の可変容量型の圧縮機であり、圧縮機１０の吐出容量は、後述する蒸発器３０内の温度又は圧力が所定範囲内になるように制御される。なお、電動圧縮機のごとく、吐出冷媒流量を回転数により制御することができるものを圧縮機１０として採用してもよいことは言うまでもない。
【００４７】
放熱器２０は圧縮機１０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高圧側熱交換器であり、蒸発器３０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媒を蒸発させて室内に吹き出す空気を冷却する低圧側熱交換器である。
【００４８】
なお、本実施形態では、冷媒を二酸化炭素として、圧縮機１０の吐出圧を冷媒の臨界圧力以上としているので、放熱器２０内で冷媒は凝縮（相変化）することなく、温度を低下させることでそのエンタルピを低下させるが、例えば冷媒をＨＦＣ１３４ａとして、圧縮機１０の吐出圧を臨界圧力未満とした場合には、放熱器２０内で冷媒は凝縮しながらそのエンタルピを低下させる。
【００４９】
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り、詳細は後述する。
【００５０】
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側の流入側に接続される。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る。
【００５１】
なお、送風機２１は放熱器２０に冷却風、つまり外気を送風するもので、送風機３１は蒸発器３０に室内に吹き出す空気を送風するものである。
【００５２】
次に、エジェクタ４０について述べる。
【００５３】
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、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、及び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に形成されたニードル４４等からなるものである。
【００５４】
因みに、ノズル４１及びニードル４４は、冷媒が膨脹する際に発生するキャビテーションによる腐食を防止すべく、本実施形態ではステンレス等の金属を採用している。
【００５５】
また、ハウジング４５は、混合部４２及びディフューザ４３を形成する筒状のものであり、ディフューザ４３の流出口４５ａは気液分離器５０の流入口７６側に接続されている。
【００５６】
ブロック４６は、ノズル４１を収納するとともに、放熱器２０側に接続される高圧冷媒入口４６ａ、及び蒸発器３０側に接続される低圧冷媒入口４６ｂが設けられた金属製のもので、ハウジング４５とブロック４６とは溶接又はろう付けにて接合されている。
【００５７】
因みに、ハウジング４５及びブロック４６の材質としていは、アルミニウム、ステンレス、黄銅等が考えられる。
【００５８】
そして、ニードル４４が同軸上に圧入固定されたノズル４１をブロック４６に圧入固定することにより、ニードル４４及びノズル４１がブロック４６に組み付けられ、ノズル４１を圧入するための穴は蓋４６ｃにより閉塞されている。なお、蓋４６ｃは、ノズル４１を圧入するための穴を閉塞するとともに、ニードル４４の固定手段を兼ねる。
【００５９】
ところで、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。
【００６０】
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。
【００６１】
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望ましい。
【００６２】
また、ノズル４１は、図３に示すように、ノズル出口４１ｂに向かうほど冷媒通路面積が縮小していく円錐状の先細テーパ部４１ｃが形成された先細ノズルであり、先細テーパ部４１ｃの外壁部も先細テーパ部４１ｃの内壁と略平行となるように円錐テーパ状に形成されている。
【００６３】
一方、ニードル４４の先端側のうち先細テーパ部４１ｃ内に位置する部位は、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に形成された円錐テーパ部４４ａが形成されているとともに、先端側がノズル出口４１ｂより流体流れ下流側まで到達している。
【００６４】
そして、先細テーパ部４１ｃのテーパ角φ１は、円錐テーパ部４４ａのテーパ角φ２以上となるように設定されているため、先細テーパ部４１ｃと円錐テーパ部４４ａとの間に形成される冷媒流路４１ａは、ノズル出口４１ｂにて冷媒通路断面積が最小となる。
【００６５】
次に、エジェクタサイクルの概略作動を述べる。
【００６６】
圧縮機１０から吐出した冷媒を放熱器２０側に循環させる。これにより、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にて等エントロピ的に減圧膨張して、音速以上の速度で混合部４２内に流入する。
【００６７】
そして、混合部４２に流入した高速冷媒の巻き込み作用に伴うポンプ作用により、蒸発器３０内で蒸発した冷媒が混合部４２内に吸引されるため、低圧側の冷媒が気液分離器５０→絞り６０→蒸発器３０→エジェクタ４０（昇圧部）→気液分離器５０の順に循環する。
【００６８】
一方、蒸発器３０から吸引された冷媒（吸引流）とノズル４１から吹き出す冷媒（駆動流）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。
【００６９】
なお、図３の角度φは低圧冷媒の流れる流路４５ｂのテーパ角であるが、エジェクタ４０において昇圧する原理は、前述のごとく、低圧冷媒とノズル噴流の運動量保存で計算されるが、φが大きくなると、低圧冷媒の軸方向速度成分、つまりノズル４１の噴射方向成分が小さくなるので、エジェクタ４０の昇圧量が小さくなってしまう。そして、発明者等の検討によれば、φは４０°以下とすることが望ましいとの結論を得ている。
【００７０】
因みに、図４はφが変化したときのエジェクタ４０の昇圧量をφ＝０を基準として計算したものである。計算条件は、二酸化炭素冷媒を用いた車両用空調装置で外気温が２５℃と３５℃の場合である。φ＝４０°程度までは昇圧量の低下が比較的小さいが、それ以上だと低下量が大きくなってしまうことが解る
次に、本実施形態の特徴を述べる。
【００７１】
本実施形態では、ニードル４４の円錐テーパ部４４ａが、ノズル出口４１ｂから突き出て混合部４２側まで到達しているので、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、ニードル４４の周囲通路４１ａを流れてノズル出口４１ｂから噴出した冷媒は、慣性及びコアンダ効果等によりニードル４４、つまり円錐テーパ部４４ａの表面に沿って流れようとする。
【００７２】
このとき、円錐テーパ部４４ａの断面積は下流に向かうほど小さくなるので、ノズル４１から吹き出す噴流（以下、ノズル噴流と呼ぶ。）Ａは、下流側に向かうほどノズル４１の中心軸側に徐々に拡がっていく。
【００７３】
一方、ノズル噴流Ａの外側の噴流界面Ａｏは、ノズル噴流Ａと蒸発器３０から吸引された低圧冷媒流とが釣り合う位置まで拡がる。つまりノズル４１に流れ込む冷媒流量が大きく、ノズル噴流Ａと低圧冷媒流との圧力差が大きいときには、図５（ａ）に示すように噴流界面Ａｏの直径が拡大し、逆に、ノズル４１に流れ込む冷媒流量が小さく、ノズル噴流Ａと低圧冷媒流との圧力差が小さいときには、図５（ｂ）に示すように噴流界面Ａｏの直径が縮小する。
【００７４】
したがって、本実施形態では、ノズル４１に流入した冷媒は、ノズル出口４１ｂに向かうほど絞られて流速が増大し、ノズル出口４１ｂにて臨界状態、つまり流速がマッハ１となる。
【００７５】
そして、ノズル出口４１ｂから噴射したノズル噴流Ａは、図５に示すように膨脹して沸騰するため、流速がマッハ１を超えて超音速となる。つまり、ノズル４１内を流れる冷媒及びノズル噴流Ａは、あたかもラバールノズルを用いたかのごとく、超音速まで膨脹加速される。
【００７６】
このとき、本実施形態では、ノズル噴流Ａの噴流界面Ａｏは、低圧冷媒流との圧力差に応じて決定されるバランスが取れた自然な形、つまり適正膨脹形態となるのに対して、ラバールノズルでは、ディフューザ部の形状が予め設定された固定形状であるため、喉部から噴射した冷媒は、必ずしも適正な膨脹形態で膨脹することができない。
【００７７】
すなわち、本実施形態では、適正な膨脹形態で膨脹するようにノズル噴流Ａの噴流界面Ａｏが自然に変化して自己調整されるのに対して、通常のラバールノズルでは、膨脹形態がディフューザ部の形状により規制されて、必ずしも適正な膨脹形態で膨脹することができない。
【００７８】
なお、適正な膨脹形態とは、前述した図１９に示されるように、例えば、ノズル４１の入口圧力・温度条件が一定で低圧冷媒流の圧力が変化した場合、低圧が下がると噴流と低圧の圧力差が大きくなるため噴流は広がろうとし、逆に低圧が上がると噴流と低圧の圧力差が小さくなり噴流は広がり難くなる性質に逆らうことなく膨脹させることを言う。
【００７９】
以上に述べたように、本実施形態では、ノズル出口４１ｂから突き出たニードル４４に沿ってノズル噴流Ａを流すことによって、ノズル噴流Ａの噴流断面積を徐々に大きくするとともに、ノズル噴流Ａと低圧冷媒流の界面を運転条件に応じて自由に変化させることで適正に近い膨張形態を実現することができる。延いては、熱負荷によらず、高い効率を維持しながらエジェクタサイクルを運転することができ得る。
【００８０】
また、冷媒を膨脹加速するためのディフューザ部を設ける必要がないので、ノズル４１の製造工数を低減することができる。
【００８１】
また、ノズル出口４１ｂを冷媒通路面積が最も小さくなる部位とすればよいので、ノズル内冷媒通路途中に冷媒通路面積が最も小さくなる部位を設けるラバールノズルに比べて、加工性や公差管理が容易になるので、ノズル４１の製造原価を低減することができる。
【００８２】
（第２実施形態）
第１実施形態では、ニードル４４、つまり円錐テーパ部４４ａの先端は尖っていたが、本実施形態は、図６、７に示すように、円錐テーパ部４４ａの先端部を平面状又は略球面状に形成したものである。
【００８３】
次に、本実施形態の特徴を述べる。
【００８４】
ニードル４４、つまり円錐テーパ部４４ａ先端はノズル噴流Ａ内にあり、キャビテーションによる壊蝕が発生し易い環境下中に置かれるため、径の細い先端部は壊蝕により削れて形状が変化し易い。また、先端部分が非常に細くなるので、円錐テーパ部４４ａの先端部の加工が難しく、ニードル４４の製造原価上昇を招く。
【００８５】
これに対して、本実施形態では、ニードル先端部の尖っている部分を削除して、図６、７に示すように、円錐テーパ部４４ａの先端部を平面状又は略球面状にしているので、円錐テーパ部４４ａの加工性が向上するとともに、壊蝕による形状変化を抑制できる。
【００８６】
なお、ノズル噴流Ａは、前述のごとく、ニードル４４表面に沿って高速（例えば、１００ｍ／ｓ以上の流速）で流れるので、図８に示すように、ニードル４４に円錐状の先端部が無くても、小さいな循環流（渦流）が発生するものの、先端部がある場合とほとんど変わらない流れとなる。
【００８７】
したがって、先端部がなくてもノズル噴流Ａには殆ど影響しないので、本実施形態に係るニードル４４を用いたノズル４１であっても、高いノズル効率を維持しながらエジェクタサイクルを運転することができる。
【００８８】
（第３実施形態）
上述の実施形態では、ノズル出口４１ｂにて最も通路断面積が小さくなるような先細ノズルをノズル４１として採用したが、本実施形態は、図９に示すように、先細テーパ部４１ｃのうち通路断面積が最も縮小した喉部４１ｄからノズル出口４１ｂまでの間に、通路断面積が略一定となるよなストレート部４１ｅを設けたものである。
【００８９】
次に、本実施形態の特徴を述べる。
【００９０】
先細ノズルでは、ノズル出口４１ｂが最も通路断面積が小さくなる部位であるが、切削加工により先細テーパ部４１ｃを製造する場合、テーパ加工用の刃物の総送り量が変動すると、ノズル出口４１ｂの穴径がこれに応じて変動してしまう。
【００９１】
なお、仮に、ノズル４１を鋳造で製作したとしても、切削加工による仕上げ加工を必要とするので、やはり、テーパ加工用の刃物の総送り量が変動すると、ノズル出口４１ｂの穴径がこれに応じて変動してしまう。
【００９２】
これに対して、本実施形態では、ノズル出口４１ｂ側にストレート部４１ｅが設けられているので、テーパ加工用の刃物の総送り量が変動しても、ストレート部４１ｅが残存する限り、最も通路断面積が小さくなる部位、つまり喉部４１ｄの穴径は、ストレート部４１ｅの穴径となる。したがって、最も通路断面積が小さくなる部位の穴径バラツキを容易に管理することができるので、ノズル４１の製造工数を低減することができる。
【００９３】
ところで、ノズル出口４１ｂ側にストレート部４１ｅを設けると、通路断面積が最小となる部位は、ストレート部４１ｅと円錐テーパ部４４ａの交点部分となり、ストレート部４１ｅでは、ノズル出口４１ｂに向かうほど、実質的な通路断面積が徐々に大きくなっていくので、ストレート部４１ｅにて膨脹沸騰が始まる。
【００９４】
したがって、ストレート部４１ｅを長くしすぎると、「発明が解決しようとする課題」の欄で述べた無次元量（流路断面積／喉部面積）が過大となって、ストレート部４１ｅ内で過膨張してノズル効率の低下を招くので、ストレート部４１ｅの長さは過膨張が発生しない程度の長さとする必要がある。
【００９５】
なお、ニードル４４の先端におけるノズル噴流Ａの面積が、「発明が解決しようとする課題」の欄で述べた無次元量の「ノズル出口における流路面積」に対応し、ノズル４１内冷媒通路のうち最も通路断面積が小さい部位が、「発明が解決しようとする課題」の欄で述べた無次元量の「喉部面積」に相当する。
【００９６】
（第４実施形態）
本実施形態は、図１０に示すように、ニードル４４を、その軸方向に変位させるアクチュエータ４７を設け、ノズル４１に流れ込む高圧冷媒の流量に応じてニードル４４を変位させてノズル出口４１ｂの実質的な開度を可変制御するものである。
【００９７】
なお、本実施形態では、アクチュエータ４７として、ステッピングモータを採用しており、ニードル４４は、ステッピングモータの回転角に比例して軸方向に変位する。
【００９８】
次に、本実施形態の特徴を述べる。
【００９９】
本実施形態に係るノズル４１では、流入する冷媒を超音速まで加速するので、ノズル４１を通過する高圧冷媒の流量は低圧側の影響を殆ど受けず、ノズル４１内冷媒通路のうち、最も通路断面積が小さい部位（以下、この部位を喉部と呼ぶ。）の面積とノズル４１に流入する冷媒の圧力との積に比例する。そして、熱負荷が変動してサイクルの運転条件が変わると、高圧冷媒流量や高圧が変化するので、必要な喉部面積も変化する。
【０１００】
そこで、本実施形態では、ニードル４４を変位させて喉部面積を変化させることにより、常に適正な喉部面積を確保してエジェクタサイクルを効率良く運転している。具体的には、高圧冷媒流量が多いときは、図１１（ａ）に示すように、喉部面積を大きくし、高圧冷媒流量が少ないときは図１１（ｂ）に示すように、喉部面積を小さくする。
【０１０１】
そして、本実施形態では、喉部面積が大きいときは、ノズル噴流Ａ内にあるニードル４４の占める面積割合が小さいので、ノズル噴流Ａがニードル４４の表面に沿って下流側に流れても、ニードル４４の面積変化による圧力低下量が小さい。このため、ノズル噴流Ａと吸引された低圧冷媒の圧力差が大きくなるので、前述のごとく、噴流界面Ａｏが拡がる。
【０１０２】
逆に、喉部面積が小さいときは、ノズル噴流Ａ内にあるニードル４４の占める面積割合が大きくなるので、ノズル噴流Ａがニードル４４の表面に沿って下流側に流れても、ニードル４４の面積変化による圧力低下量が大きい。このため、ノズル噴流Ａと低圧冷媒の圧力差が小さくなるので、前述のごとく、境界界面Ａｏ拡がり難くなる。
【０１０３】
したがって、本実施形態では、喉部面積の変化に応じてノズル噴流の形状が自動的に変化するので、「発明が解決しようとする課題」の欄で述べた「ノズル出口における流路面積」が「発明が解決しようとする課題」の欄で述べた「喉部面積」の変化に応じて自動的に変化することとなる。
【０１０４】
そして、例えばノズル４１に流入する冷媒の圧力が一定の場合には、図２１に示すように、適正な膨脹形態時には前記無次元量「ノズル出口における流路面積／喉部面積」は一定値となることから、本実施形態では、ノズル４１に流入する冷媒量によらず、前記無次元量を一定値に維持することが可能となるので、エジェクタ効率を常に高く維持することができる。
【０１０５】
因みに、図１２は本実施形態に係るノズル４１と各運転条件に毎に最適化した種類の異なるラバールノズルとを比較した結果である。この際、本実施形態に係るエジェクタ４０は同じノズル４１、同じニードル４４を用い、ノズル４１とニードル４４の軸方向相対位置のみを変化させている。
【０１０６】
そして、図１２からも明らかなように、本実施形態によれば、各運転条件毎に最適化したラバールノズルと同等の能力を得られることが解る。
【０１０７】
（第５実施形態）
第４実施形態では、アクチュエータ４７としてステッピングモータを採用したが、本実施形態は、図１３に示すように、アクチュエータ４７として、周知の比例ソレノイドを採用したものである。
【０１０８】
すなわち、走行用エンジンにて圧縮機１０を駆動する場合、エンジン回転数は走行負荷に応じて変動するため、空調負荷が変動しなくても圧縮機１０の回転数が急激に変化する可能性が高く、この圧縮機１０の回転数の急激な変化を速やかに吸収すべく、ニードル４４を速やかに変位させる必要がある。
【０１０９】
そこで、本実施形態では、スッテッピングモータに比べて応答性の早い比例ソレノイドにてニードル４４を可変制御している。
【０１１０】
なお、本実施形態に係る比例ソレノイドでは、ソレノイドコイルに発生する磁界の強さを制御することにより、図１４に示すように、電磁吸引力及び圧力差による力とバネ力との釣り合い状態を制御してニードル４４の作動を制御している。
【０１１１】
因みに、本実施形態に係るバネ力の初期設置は、ノズル出口４１ｂ前後の圧力差が最も大きくなったときでもノズル出口４１ｂがニードル４４にて閉じられることがないような大きさとなっている。
【０１１２】
（第６実施形態）
上述の実施形態では、ニードル４４の円錐テーパ部４４ａは、テーパ角が根元側から先端側にかけて一定値であったが、本実施形態は、図１５に示すように、ニードル４４の先端側テーパ角ψ１をニードル４４の根元側テーパ角ψ２に比べて小さくなるように、ニードル４４のテーパ角を先端側と根元側とで相違させたものである。
【０１１３】
ここで、ニードル４４の根元側テーパ角ψ２とは、ニードル４４のテーパ部分のうち断面積が最も大きくなる部位側であって、先端側と反対側に位置する部位側である。
【０１１４】
これにより、ニードル４４の変位量に対する喉部面積の変化量を上述の第４、５実施形態に比べて大きくすることができるので、ニードル４４の最大変位量を小さくすることができ、エジェクタ４０の小型化を図ることができ得る。
【０１１５】
なお、本実施形態では、ニードル４４の最大変位量を小さくすることができることから、図１６に示すように、アクチュエータ４７として、高圧冷媒の温度に応じて機械的にニードル４４を変位させる機械式アクチュエータを採用している。
【０１１６】
因みに、本実施形態に係るアクチュエータ４７は、特開平９−２６４６２２号公に記載のアクチュエータと略同様な構成を有するものである。具体的には、ニードル４４と接合されている部材４７ａがダイヤフラム４７ｂに接合してあり、ダイヤフラム４７ｂの動きに応じてニードル４４の位置が変わるようになっている。
【０１１７】
ダイヤフラム４７ｂを挟んで第１ケース４７ｃ、第２ケース４７ｄがあり、これら４７ｃ、４７ｄはその外周部で溶接されて、第１ケース４７ｃとダイヤフラム４７ｂと間に密閉空間４７ｅが形成され、この密閉空間４７ｅ内には冷媒（本実施形態では、二酸化炭素）が約６００ｋｇ／ｍ³の密度で封入されている。
【０１１８】
また、ニードル４４には、ノズル４１が閉じる方向に力をコイルバネ４７ｆにより受けている。これは、高圧冷媒圧力が臨界圧以下になり気液二相状態で流れ、密閉空間４７ｅ内温度と周囲の高圧冷媒温度が等しくなり、密閉空間４７ｅ内圧力（その温度での飽和圧力）と高圧が同じになってしまったときに冷媒の過冷却度を確保するためである。バネ力はダイヤフラム４７ｂでの圧力換算で約０．６ＭＰａ（高圧が臨界圧以下のときの過冷却度５℃相当の圧力）である。
【０１１９】
以上に述べた構成によりアクチュエータ４７は以下のように作動する。
【０１２０】
第１ケース４７ｃ及び第２ケース４７ｄ周りには、高圧冷媒入口４６ａから流入した高圧冷媒が流れるため、密閉空間４７ｅ内の温度は周りの高圧冷媒の温度とほぼ等しくなる。このため、密閉空間４７ｅ内の温度と圧力は、図１７に示される６００ｋｇ／ｍ³の等密度線に沿って変化する。
【０１２１】
したがって、例えば密閉空間４７ｅ内の温度が４０℃の場合は約９．７ＭＰａであり、高圧圧力が密閉空間４７ｅ内圧力＋バネによる圧力＝１０．３ＭＰａ以下の場合には、密閉空間内圧＋バネによる圧力の方が大きいので、ダイヤフラム４７ｂはニードル４４側に押されてノズル４１が閉じる方向に移動し、逆に、高圧が１０．３ＭＰａより大きい場合には、ダイヤフラム４７ｂはニードル４４と反対側に押されてノズルが開く方に移動する。このため、高圧冷媒圧力は、ほぼ１０．３ＭＰａに制御される。
【０１２２】
なお、ダイヤフラム４７ｂによるニードル４４の移動量は、ステッピングモータや比例ソレノイドほど大きくはできず、１ｍｍ以下であることが多い。
【０１２３】
（第７実施形態）
本実施形態は、第６実施形態に係るニードル４４の変形例である。具体的には、図１８に示すように、ニードル４４の先端側テーパ角ψ１がニードル４４の根元側テーパ角ψ２に比べて小さくした状態で、円錐テーパ部４４ａの先端部を平面状又は略球面状に形成したものである。
【０１２４】
（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。
【０１２５】
また、アクチュエータ４７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。
【０１２６】
また、上述の実施形態では、二酸化炭素を冷媒として高圧側の冷媒圧力を冷媒の臨界圧力以上としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばフロン（Ｒ１３４ａ）を冷媒として高圧側の冷媒圧力を冷媒の臨界圧力未満としてもよい。
【０１２７】
また、上述の実施形態に示された実施形態のうち、少なくとも２つの実施形態を組み合わせてもよい。
【０１２８】
また、上述の実施形態では、ニードル４４の先端側テーパ角ψ１をニードル４４の根元側テーパ角ψ２に比べて小さくなるように、ニードル４４のテーパ角を先端側と根元側とで相違させたが、本発明はこれに限定されるものではなく、ニードル４４の先端側テーパ角ψ１をニードル４４の根元側テーパ角ψ２に比べて大きくなるように、ニードル４４のテーパ角を先端側と根元側とで相違させてもよい。
【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の模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るエジェクの拡大図である。
【図４】エジェクタの特性を示すグラフである。
【図５】エジェクタの特性を示す拡大図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係るエジェクの拡大図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係るニードルの拡大図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係るニードルの拡大図である。
【図９】本発明の第３実施形態に係るエジェクの拡大図である。
【図１０】本発明の第４実施形態に係るエジェクの模式図である。
【図１１】本発明の第４実施形態に係るエジェクの拡大図である。
【図１２】エジェクタの特性を示すグラフである。
【図１３】本発明の第５実施形態に係るエジェクの模式図である。
【図１４】本発明の第５実施形態に係るエジェクの拡大図である。
【図１５】本発明の第６実施形態に係るエジェクの拡大図である。
【図１６】本発明の第６実施形態に係るエジェクの模式図である。
【図１７】本発明のｐ−ｈ線図である。
【図１８】本発明の第７実施形態に係るエジェクの拡大図である。
【図１９】エジェクタの特性を示すグラフである。
【図２０】エジェクタの特性を示すグラフである。
【図２１】エジェクタの特性を示すグラフである。
【符号の説明】
４１…ノズル、４１ａ…冷媒通路、４１ｂ…ノズル出口、
４２…混合部、４４…ニードル、４４ａ…円錐テーパ部、
４５…ハウジング、４５ｂ…冷媒通路。

Claims (8)

1. 流体出口（４１ｂ）に向かうほど通路面積が縮小していく先細テーパ部（４１ｃ）が形成されたノズル（４１）を有し、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輸送を行う運動量輸送式ポンプであるエジェクタであって、
   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、先端側が前記流体出口（４１ｂ）より流体流れ下流側まで到達しているニードル（４４）を備え、
   前記先細テーパ部（４１ｃ）と前記ニードルのテーパ部（４４ａ）との間に形成される冷媒通路（４１ａ）は、ノズル出口（４１ｂ）にて冷媒通路断面積が最小となり、
   前記先細テーパ部（４１ｃ）のテーパ角（φ１）は、前記ニードル（４４）のテーパ角（φ２）より大きく形成されていることを特徴とするエジェクタ。
2. 流体出口（４１ｂ）側に向かうほど通路面積が縮小していく先細テーパ部（４１ｃ）、及び前記先細テーパ部（４１ｃ）のうち通路断面積が最も縮小した喉部（４１ｄ）から連なり、通路断面積が略一定のストレート部（４１ｅ）が形成されたノズル（４１）を有し、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輸送を行う運動量輸送式ポンプであるエジェクタであって、
   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、先端側が前記喉部（４１ｄ）より流体流れ下流側まで到達しているニードル（４４）を備え、
   前記先細テーパ部（４１ｃ）と前記ニードルのテーパ部（４４ａ）との間に形成される冷媒通路は、前記喉部（４１ｄ）にて冷媒通路断面積が最小となり、
   前記先細テーパ部（４１ｃ）のテーパ角（φ１）は、前記ニードル（４４）のテーパ角（φ２）より大きく形成されていることを特徴とするエジェクタ。
3. 流体出口（４１ｂ）に向かうほど通路面積が縮小していく先細テーパ部（４１ｃ）が形成されたノズル（４１）を有し、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輸送を行う運動量輸送式ポンプであるエジェクタであって、
   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、先端側が前記流体出口（４１ｂ）より流体流れ下流側まで到達しているニードル（４４）を備え、
   前記ニードル（４４）のテーパ角（φ２）は、先端側と根元側とで相違しており、
   前記先細テーパ部（４１ｃ）と前記ニードルのテーパ部（４４ａ）の根元側との間に形成される冷媒通路は、ノズル出口（４１ｂ）にて冷媒通路断面積が最小となり、
   前記先細テーパ部（４１ｃ）のテーパ角（φ１）は、前記ニードル（４４）の根元側テーパ角（ψ２）より大きく形成されていることを特徴とするエジェクタ。
4. 流体出口（４１ｂ）側に向かうほど通路面積が縮小していく先細テーパ部（４１ｃ）、及び前記先細テーパ部（４１ｃ）のうち通路断面積が最も縮小した喉部（４１ｄ）から連なり、通路断面積が略一定のストレート部（４１ｅ）が形成されたノズル（４１）を有し、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輸送を行う運動量輸送式ポンプであるエジェクタであって、
   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、先端側が前記喉部（４１ｄ）より流体流れ下流側まで到達しているニードル（４４）を備え、
   前記ニードル（４４）のテーパ角（φ２）は、先端側と根元側とで相違しており、
   前記先細テーパ部（４１ｃ）と前記ニードルのテーパ部（４４ａ）の根元側との間に形成される冷媒通路は、前記喉部（４１ｄ）にて冷媒通路断面積が最小となり、
   前記先細テーパ部（４１ｃ）のテーパ角（φ１）は、前記ニードル（４４）の根元側テーパ角（ψ２）より大きく形成されていることを特徴とするエジェクタ。
5. 前記ニードル（４４）の先端側テーパ角（ψ１）は、前記ニードル（４４）の根元側テーパ角（ψ２）に比べて小さいことを特徴とする請求項３または４に記載のエジェクタ。
6. 前記ニードル（４４）の先端部は、略球面状又は平面状に形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. 前記ニードル（４４）を、その軸方向に変位させるアクチュエータ（４７）を備えてい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. 請求項１ないし７のいずれか１つに記載のエジェクタにて冷媒を循環させることにより、低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍機。

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