JP4575702B2 - エジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいて、冷媒を減圧膨張させて蒸発器で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の吸入圧を上昇させるエジェクタに関する。

近年、蒸気圧縮式冷凍サイクルにおいては、凝縮器から送られる液状冷媒の膨張エネルギーを利用して、蒸発器で蒸発して圧縮機に入る気相冷媒の圧力を上昇させるために、特許文献１ないし５に開示されるように、エジェクタを有するエジェクタサイクルが採用されている。これらのエジェクタサイクルにおいては、エジェクタのノズルの上流又はノズル自体に流量調整装置又は絞り機構を設けることにより、広範囲にわたる熱負荷の変動に応じた運転を円滑に行なわせるとともに、冷凍効率の向上を図っている。

特開２００４−４４９０６号公報 特開２００２−３１８０１９号公報 特開２００３−９０６３５号公報 特開平１０−２０６２８５号公報 特開平５−３１２４２１号公報

従来のエジェクタサイクルにおいては、蒸発器側からの気相冷媒の吸引が単段で行なわれているため、負荷が変動したとき、特に、負荷があまり大きくなく安定している状態から負荷が増大したとき、エジェクタ内において、ノズルからの駆動流を増大させることができても、蒸発器側からの気相冷媒量が少ないため、気相冷媒の吸引が効率よく行なわれず、したがってエジェクタの混合部での駆動流と気相冷媒流との混合が十分に行なわれず、結果として、エジェクタのデフューザ部での昇圧が不十分となり、圧縮機の仕事量が増大し、効率の向上が望めない恐れがある。

本発明の目的は、上記問題点に鑑み、負荷の変動に応じ蒸発器側からの気相冷媒の吸引を少なくとも２段で行なわせる新規のエジェクタを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るエジェクタは、凝縮器からの高圧液相冷媒を噴出するノズルと、前記ノズルからの噴出流により蒸発器からの気相冷媒が吸引される混合ノズルと、上流側に吸引ポートが設けられ、該吸引ポートを介して前記混合ノズルからの噴出流により前記蒸発器からの気相冷媒がさらに吸引される混合管、エジェクタの中心軸線に対して回動自在であるとともに、前記中心軸線に沿って摺動自在であるシール部材を備え、前記吸引ポートは、該吸引ポートから吸引される気相冷媒の吸引量を調整すべく、前記シール部材により開閉できるようになっていることが好ましい。また、少なくとも前記凝縮器からの高圧液相冷媒を噴出するノズル、前記混合ノズル及び前記混合管とからなる気相冷媒の吸引機構は、負荷に応じて、単段から２段以上の多段に可変制御することができることが好ましい。

本発明に係るエジェクタは、上記の通りエジェクタによる気相冷媒の吸引を少なくとも２段以上とすることで吸引能力が向上する。また、２段目以降の吸引段を負荷に応じて調整できるようにすることで、最適な吸引が可能となり、効率のよい冷凍サイクルの運転が可能となる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施態様に付き説明する。図１は、本発明に係るエジェクタを用いたエジェクタサイクルの概要図である。図２は、本発明に係るエジェクタの概略断面図であり、単段モードで使用しているときの図である。図３は、本発明に係るエジェクタの概略断面図であり、２段モードで使用しているときの図である。図４、５は、それぞれ、図２で示す単段モード、図３で示す２段モードのときの蒸気線図（モリエル線図）である。

図１に示されるように、エジェクタサイクルは、気相冷媒を圧縮する圧縮機１、外部に熱を放出して、言い換えれば冷媒を冷却して、冷媒を気相から液相に変える凝縮器２、液相冷媒の減圧膨張機構であるエジェクタ３、該エジェクタ３及び前記圧縮機１間に連結される気液分離器４、一端が該気液分離器４に連結され、他端が前記エジェクタ３の吸引部に連結される蒸発器５を含んでいる。また、図示されていないが、気液分離器４と蒸発器５との間には絞り装置が設けられている。

エジェクタ３は、図２又は３に示されるように、基端部材３１０、中間ケース部材３３０、末端部材３５０により形成されるエジェクタ本体３００を備えている。エジェクタ本体３００は、概略円筒状をなしており、中心軸線Ｘ−Ｘを有する。エジェクタ本体３００は、その内部空間に、中心軸線Ｘ−Ｘに沿って配設される混合部材３６０をさらに含んでいる。

基端部材３１０には、中心軸線Ｘ−Ｘに沿って１段目の気相冷媒吸引機構を構成する１段目ノズルとしてのノズル３１１が形成され、該ノズル３１１周囲には冷媒流路としての吸引空間３１２が形成されている。凝縮器２からの冷媒導管２１が、中心軸線Ｘ−Ｘに沿って、ノズル３１１に接続され、蒸発器５からの冷媒導管５１が、中心軸線Ｘ−Ｘに直交して吸引空間３１２に接続される。

中間ケース部材３３０内には、筒状永久磁石３３１が、中心軸線Ｘ−Ｘの周りに回転自在に及び中心軸線Ｘ−Ｘに沿って摺動自在に配設される。この場合、筒状永久磁石３３１の外径は、中間ケース部材３３０の内径にほぼ等しい。また、筒状永久磁石３３１の内側には、内周面に雌ネジ３３２ａが切られているシール部材３３２が、該筒状に永久磁石３３１と一体的に配設されている。したがって、シール部材３３２も、中間ケース部材３３０内で、筒状永久磁石３３１と一緒に回転及び摺動する。該シール部材３３２内周面に切られている雌ネジ３３２ａは、後述する混合部材３６０の混合管３６２の外周に切られている雄ネジ３６２ｂに螺合する。なお、筒状永久磁石３３１は、周方向にＮ極とＳ極が交互に着磁されている。さらに、中間ケース部材３３０の外周には、コイル３７１を内蔵するステータ３７０が配設されている。上記構造から理解されるように、筒状永久部材３３１、シール部材３３２及びステータ３７０は、ステッピングモータとして機能していると言える。

末端部材３５０には、中心軸線Ｘ−Ｘに沿って、下流方向に向かって拡開するデフューザ３５１が形成されており、図２又は３に示されるように、デフューザ３５１の上流側が混合部材３６０（より詳細には、混合管３６２の第２混合流路３６２ａ）と連通するように、該混合部材３６０を固定、支持している。なお、デフューザ３５１の下流側は気液分離器４への冷媒導管４１に接続される。

混合部材３６０は、中心軸線Ｘ−Ｘに沿って２段目の気相冷媒吸引機構を構成する２段目ノズルとしての混合ノズル３６１、混合管３６２及び第２段目の気相冷媒吸引機構を構成する冷媒吸引部としての複数の吸引ポート３６３を含んでいる。また、混合部材３６０は、混合管３６２に形成される第２混合流路３６２ａが末端部材３５０のデフューザ３５１に連通するように、中心軸線Ｘ−Ｘに沿って、末端部材３５０に固定、支持される。

混合部材３６０の混合ノズル３６１は、図２又は３に示されるように、筒状永久磁石３３１と同心状に配置され、筒状永久磁石３３１との間に冷媒流路３３３が形成されるように、その外径が設定される。なお、冷媒流路３３３は、基端部材３１０の吸引空間３１２に連通する。また、混合ノズル３６１上流側には、下流に向かって漸次縮径するテーパー部３６１ａが形成され、上記基端部材３１０のノズル３１１の先端部が該テーパー部３６１ａ内に臨んで同心状に配列されることにより、１段目の冷媒吸引機構を構成し、ノズル３１１とテーパー部３６１ａとの間の隙間が１段目の冷媒吸引部を構成する。さらに、混合ノズル３６１のテーパー部３６１ａに続く下流には、ノズル３１１からの噴流（駆動流）と、その噴流を利用して吸引される蒸発器５からの気相冷媒が混合される第１の混合部としての、断面が一定である第１混合流路３６１ｂが形成されている。

混合ノズル３６１に続く混合管３６２は、その内部に第２の混合部としての断面一定の第２混合流路３６２ａが形成されるとともに、混合ノズル３６１と混合管３６２との間（言い換えれば、混合管３６２の上部）に複数の吸引ポート３６３が形成されている。混合ノズル３６１の外径は、混合管３６２の外径より大きく形成され、したがって、図２又は３に示されるように、段部３６４が形成されている。該段部３６４は、シール部材３３２の上方への移動を制限する。また、混合ノズル３６１の第１混合流路３６１ｂの内径は、混合管３６２の第２混合流路３６２ａの内径よりも小さく設計される。このような構成により、二相（気相及び液相）の冷媒の混合流を混合ノズル３６１（より詳細には、第１混合流路３６１ｂ）から混合管３６２（より詳細には、第２混合流路３６２ａ）に噴出する形態をとることになり、吸引ポート３６３近傍に吸引圧力が発生する。したがって、吸引ポート３６３が開いていれば、冷媒流路３３３から吸引ポート３６３を通って気相冷媒をさらに吸引することができる。すなわち、２段目の冷媒吸引機構が形成されることになる。

混合管３６２の外周には、雄ネジ３６２ｂが切られており、該雄ネジ３６２ｂは、シール部材３３２内周面に形成されている雌ネジ３３２ａに螺合し、一緒に回動及び摺動（上下動）する筒状永久磁石３３１及びシール部３３２を支持している。このような構成により、コイル３７１に通電すると筒状永久磁石３３１及びこれと一体のシール部材３３２が回転する。また、シール部材３３２内周面に切られている雌ネジ３３２ａが、混合部材３６０の混合管３６２外周面に切られている雄ネジ３６２ｂに螺合しているので、シール部材３３２の回転運動は、該シール部材３３２を同時に上下運動に変換させる。シール部材３３２が上下動することは、結果として、混合管３６２上部に形成されている複数の吸引ポート３６３を開閉することを可能とする。すなわち、シール部材３３２が上方に移動したとき、該シール部材３３２の上面が上記混合ノズル３６１の段部３６４の下方を向いている平面に当接し、それにより、シール部材３３２は、複数の吸引ポート３６３を閉じる（図２参照）。逆に、シール部材３３２を下方に移動させれば、複数の吸引ポート３６３が開けられる。したがって、シール部材３３２の下降距離、言い換えれば、シール部材３３２の回転度合い、さらに言えば、コイルへの通電量に応じて、複数の吸引ポート３６３の開口度が調整でき、結果として、２段目の吸引機構において、気相冷媒の吸引量を調整できることが理解される。図３には、複数の吸引ポート３６３が全開している状態が示されている。

本発明の実施態様に係るエジェクタ３は、以上のような構造を有している。次に、該エジェクタ３の作用について、図４、５を用いて説明する。図４、５において、圧力ＰＨは、凝縮器２から冷媒導管２１を介してノズル３１１に入ってくる駆動流としての液相冷媒の圧力であり、圧力ＰＬは、蒸発器５から冷媒導管５１を介して吸引空間３１２に入ってくる気相冷媒の圧力であり、圧力ＰＤは、エジェクタ３（より詳細には、デフューザ３５１）を出て行く二相冷媒の圧力である。なお、圧力ＰＤに付される数字１、２は、それぞれ単段モード、２段モードのときの圧力を示す。また、圧力ＰＳ_Ａは、圧力ＰＨの駆動流がノズル３１１から噴出されることにより生成される吸引圧力（図２又は３のＡ点における圧力）であり、圧力ＰＳ_Ｂは、混合ノズル３６１から二相冷媒が混合管３６２内に噴出されることにより生成される吸引圧力（図３のＢ点における圧力）である。なお、吸引圧力ＰＳ_Ａと吸引圧力ＰＳ_Ｂは、図５では差がかなりあるように示されているが、混合ノズル３６１の長さが短いため、実際はほとんど差はないと言える。

図４は、エジェクタ３が単段モードであるときの蒸気線図である。図２に示されるように、エジェクタ３が単段（１段）モードのときは、吸引ポート３６３が完全に閉じられている。図４に示されるように、凝縮器３からの高圧（圧力ＰＨ）冷媒は、ノズル３１１からジェット流（噴流）となって噴出され、圧力エネルギーを速度エネルギーに変え、減圧膨張されるとともに、蒸発器５からの気相冷媒を吸引する。この時、冷媒の圧力は、吸引圧力ＰＳ_Ａまで減圧される。混合ノズル３６１の第１混合流路３６１ｂ及び混合管３６２の第２混合流路３６２ａ内で噴流と吸引流とが混合され二相流を形成し、末端部材３５０のデフューザ３５１を流れる二相流は、デフューザ３５１の通路面積が拡大することにより速度を落とし、それにより速度エネルギーが圧力エネルギーに変わることにより、冷媒の圧力を圧力ＰＤ_１まで上昇させる。圧力上昇した気相媒体は、気液分離器４を経て、圧縮機１に吸引される。一方、気液分離器４で分離された圧力ＰＤ_１の液相冷媒は、絞り装置で所定の圧力ＰＬにさらに減圧され、蒸発器５で外部より熱を吸収し、蒸発する。冷媒は、その後、エジェクタ３に吸引される。このように、従来圧縮機１が（ＰＨ−ＰＬ）分圧縮仕事をしていたのに対して、エジェクタサイクルでは、圧縮機１は、（ＰＨ−ＰＤ_１）分の仕事をすればよく、圧縮機の仕事量が減少した分効率が上昇する。

図５は、本発明の特徴である、エジェクタ３が２段モードであるときの蒸気線図である。説明を簡明にするために、図５の２段モードのときは、図３に示されるように、エジェクタ３において吸入ポート３６３は、完全に開いているものとする。凝縮器２からの高圧冷媒の圧力及び流量が、図４に示す単段モードのときと同じであるとすると、ノズル３１１から噴出される噴流により生成される吸引圧力ＰＳ_Ａも同じである。当該２段モードでは、さらに２段目の吸引機構で吸引圧力ＰＳ_Ｂが生成され、それにより気相冷媒がさらに吸引される。それにより、噴流と吸引流との混合が十分に行なわれ、高圧冷媒の膨張エネルギーが気相冷媒の圧力上昇のための圧力エネルギーに十分に変換される。その結果、図５に示されるように、気液分離器４を経て、圧縮機１に吸引される気相冷媒の圧力を、図４に示される圧力ＰＤ１よりも高い圧力ＰＤ２にまで押上げることができる。すなわち、２段モードにすると、圧縮機の仕事はさらに減少され、効率をさらに向上させることが可能である。

さらに、本発明に係るエジェクタは、２段目の吸引量を調整できるので、結果として、圧縮機に吸引される気相冷媒の圧力と吸引圧力との差（ＰＤ−ＰＳ_Ａ）を調整できるので、冷凍サイクルの負荷に応じた適正な制御、特に負荷変動時における適正な運転制御を可能にする。

以上、本発明に係るエジェクタについて説明してきたが、本発明に係るエジェクタは、上記実施態様に限られず、例えば、３以上の多段吸引機構を有していてもよいし、シート部材の下方への移動に対し停止部材を設けてもよい。

本発明に係るエジェクタは、冷凍サイクルが適用され得るあらゆる装置に適用可能であるが、特に、自動車用などの空調装置に適用すると有利である。

本発明に係るエジェクタを用いたエジェクタサイクルの概要図である。 本発明に係るエジェクタの概略断面図であり、単段モードで使用しているときの図である。 本発明に係るエジェクタの概略断面図であり、２段モードで使用しているときの図である。 図２で示す単段モードのときの蒸気線図（モリエル線図）である。 図３で示す２段モードのときの蒸気線図である。

符号の説明

１ 圧縮機
２ 凝縮器
３ エジェクタ
４ 気液分離器
５ 蒸発器
２１、４１、５１ 冷媒導管
３００ エジェクタ本体
３１１ ノズル
３３１ 筒状永久磁石
３３２ シール部材
３５１ デフューザ
３６０ 混合部材
３６１ 混合ノズル
３６２ 混合管
３６３ 吸引ポート
３７０ ステータ
３７１ コイル

Claims (4)

1. 冷媒を減圧膨張させて蒸発器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の吸入圧を上昇させるエジェクタサイクルに使用するエジェクタであって、少なくとも、
   凝縮器からの高圧液相冷媒を噴出するノズルと、
   前記ノズルからの噴出流により前記蒸発器からの気相冷媒が吸引される混合ノズルと、
   上流側に吸引ポートが設けられ、該吸引ポートを介して前記混合ノズルからの噴出流により前記蒸発器からの気相冷媒がさらに吸引される混合管と、
   エジェクタの中心軸線に対して回動自在であるとともに、同時に前記中心軸線に沿って摺動自在であるシール部材と、
   を備え、
   前記吸引ポートは、該吸引ポートから吸引される気相冷媒の吸引量を調整すべく、前記シール部材により開閉されることを特徴とするエジェクタ。
2. 少なくとも前記凝縮器からの高圧液相冷媒を噴出するノズル、前記混合ノズル、前記混合管、及びシール部材とを備える気相冷媒の吸引機構は、負荷に応じて、単段から２段以上の多段に可変制御することができることを特徴とする請求項１に記載のエジェクタ。
3. 前記シール部材は、前記混合管に螺合していることを特徴とする請求項１または２に記載のエジェクタ。
4. さらに、周方向にＮ極とＳ極が交互に着磁されている筒状永久磁石と、
   前記筒状永久磁石を取り巻いて配設される、コイルを内蔵するステータと、
   を備え、
   前記筒状永久磁石は、前記シール部材と一体的に配設され、前記シール部材と一緒に回転及び摺動することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のエジェクタ。

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