JP5786765B2 - エジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、流体を減圧すると共に、高速で噴出する作動流体の吸引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に関するものである。

従来のエジェクタとして、例えば、特許文献１に示されたものが知られている。特許文献１のエジェクタにおいて、ノズルは、通路断面積が最も縮小された喉部と、喉部から下流側に向かうほど通路断面積が拡大する末広部とを備えている。そして、末広部は、上流側の中間部と下流側の出口部とから形成されている。

そして、中間部の通路壁面の拡がり角度θ１は、一定となるように形成されており、また、出口部の通路壁面の拡がり角度θ２は、拡がり角度θ１よりも大きくなるように設定されている。

気液二相状態で喉部に流入した流体が末広部で減圧される際には、減圧に伴って特に出口部で流体中のガス量が大きく増大する。特許文献１のエジェクタでは、この増大するガス量に対応するように、出口部の拡がり角度θ２を中間部の拡がり角度θ１よりも大きくすることで、中間部よりも出口部の通路断面積の拡大率が大きくなるようにしている。したがって、末広部内で流体を加速し易くなり、ノズル効率を安定して向上させることができるようになっている。

特許第４７６０８４３号公報

しかしながら、引用文献１のエジェクタでは、エジェクタに流入する流体の流量が変動して、例えば流量が増加すると、出口部から噴出される流体においては不足膨張状態となって、膨張波による騒音が発生するという問題があった。

本発明の目的は、上記問題に鑑み、噴出される流体の膨張波による騒音を低減可能とするエジェクタを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。

請求項１に記載の発明では、内部に円形断面の流体通路（１１１）が形成され、流体通路（１１１）の途中で通路断面積が最も縮小された喉部（１１３）と、
喉部（１１３）から下流側に向かうほど通路断面積が拡大する末広部（１１４）と、を有し、
喉部（１１３）に流入する流体を減圧して、末広部（１１４）下流側先端の噴出口（１１４ａ）から噴出するノズル（１１０）を備えるエジェクタであって、
末広部（１１４）の通路壁面（１１４ｂ）の噴出口（１１４ａ）近傍に、底部を有する凹部（１１５）が通路壁面（１１４ｂ）の周方向に一周分連続するように形成されたことを特徴としている。

この発明によれば、喉部（１１３）において減圧された流体は、末広部（１１４）において加速され超音速となって凹部（１１５）に至る。凹部（１１５）の上流部においては、まず、通路断面積が通路壁面（１１４ｂ）から凹部（１１５）の底部に向けて拡大されるので、超音速の流体は一度加速され、末広部（１１４）内に膨張波を発生させる。このとき流体の圧力は低下する。次に、凹部（１１５）の下流部において、通路断面積が凹部（１１５）の底部から通路壁面（１１４ｂ）に向けて縮小されるので、加速された流体は、急激に減速され、衝撃波を発生させる。このとき流体の圧力は上昇する。これにより、噴出口（１１４ａ）から噴出される噴流における膨張波の発生をなくし、噴流の流れを適正膨張あるいは過膨張に近い状態に維持でき、噴流による騒音を低減することができる。

請求項２に記載の発明では、凹部（１１５）の周方向に直交する断面形状は、Ｖ字状に形成されたことを特徴としている。

この発明によれば、凹部（１１５）の断面形状をＶ字状にすることで凹部（１１５）の上流部および下流部における通路面積の拡大、縮小率を一定にして、凹部（１１５）の上流部における流体の加速効果と、凹部（１１５）の下流部における流体の減速効果とを適切に得ることができる。

請求項３に記載の発明では、凹部（１１５）が形成される噴出口（１１４ａ）近傍の位置は、噴出口（１１４ａ）から流体の上流側に向けて、末広部（１１４）の軸方向長さの５〜１０％の位置としたことを特徴としている。

この発明によれば、末広部（１１４）における流体の基本的な流れにできるだけ支障を与えないようにして、凹部（１１５）の効果を発揮させることができる。

尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

第１実施形態の冷凍サイクルの全体構成を示す概略図である。 エジェクタの概略を示す断面図である。 ノズル部を示す断面図である。 ノズル部における流体の流れを説明する説明図である。

以下に、図面を参照しながら本発明を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態のエジェクタ１００を蒸気圧縮式冷凍サイクル（以下、冷凍サイクル）１０に適用したものを示している。この冷凍サイクル１０は、空調装置用として車両に搭載されるものであって、圧縮機１１、凝縮器１２、エジェクタ１００、気液分離器１３、および蒸発器１４が、冷媒配管によって接続されて形成されている。圧縮機１１は、図示しない制御装置によってその作動が制御され、冷凍サイクル１０内を冷媒が循環するようになっている。冷媒は本発明の流体に対応する。

圧縮機１１は、気液分離器１３内の気相冷媒を吸入し、高温高圧に圧縮して凝縮器１２側へ吐出する流体機械であり、図示しない電磁クラッチおよびベルトを介して車両走行用エンジンにより回転駆動されるようになっている。圧縮機１１は、例えば、電磁式容量制御弁に制御装置からの制御信号が入力されることにより、吐出容量が可変される斜板式可変容量型圧縮機となっている。尚、圧縮機１１は、電動モータによって回転駆動される電動圧縮機としても良い。電動圧縮機の場合は、電動モータの回転数によって吐出容量が可変される。

凝縮器１２は、圧縮機１１から吐出された高圧冷媒と、図示しない冷却ファンにより強制的に送風される車室外空気（以下、外気）との間で熱交換を行うことにより、高圧冷媒の熱を外気に放出（冷却）させて、冷媒を凝縮液化する熱交換器である。尚、圧縮機１１によって圧縮された冷媒の圧力が臨界圧力を超える場合は、冷媒は冷却されても凝縮液化することはなく、この場合は、凝縮器１２は高圧冷媒を冷却する放熱器として機能する。凝縮器１２の冷媒流出側は、エジェクタ１００のノズル部１１０（詳細後述）に接続されている。

エジェクタ１００は、凝縮器１２から流出される液相冷媒（液相流体）を減圧する減圧手段であると共に、高速で噴出する冷媒流の吸引作用（巻き込み作用）によって冷媒の循環を行う流体輸送用の冷媒循環手段でもある。図２、図３に示すように、エジェクタ１００は、ノズル部１１０、吸引部１２０、混合部１３０、およびディフューザ部１４０を備えている。

ノズル部１１０は、凝縮器１２から流出される液相冷媒を取り入れ、冷媒流れの下流側に向けて通路面積を小さく絞って冷媒の圧力エネルギを速度エネルギに変換して等エントロピ的に減圧膨張させるものである。ノズル部１１０は、本発明のノズルに対応する。ノズル部１１０は、細長の円筒状の部材から形成されており、中心部には中心軸に沿って断面円形の冷媒通路１１１が形成されている。冷媒通路１１１は、本発明の流体通路に対応する。そして、ノズル部１１０は、上流端から下流側に向かうほど冷媒通路１１１が先細りとなる先細部１１２と、この先細部１１２の下流側に配設されて下流側に向かうほど冷媒通路１１１が拡大する末広部１１４とを備えている。先細部１１２と末広部１１４とが接続される部位が、最も流路面積が縮小されたノズル喉部１１３となっている。ノズル喉部１１３は、本発明の喉部に対応する。

末広部１１４の下流端は、ノズル喉部１１３および末広部１１４によって減圧されて気液二相となった冷媒を噴出させる噴出口１１４ａとなっている。また、末広部１１４の内壁は、通路壁面１１４ｂとなっている。そして、通路壁面１１４ｂには、凹部１１５が形成されている。

凹部１１５は、通路壁面１１４ｂの周方向に延びる溝であり、通路壁面１１４ｂにおいて周方向に一周分連続するリング状の溝となっている。凹部１１５の周方向に直交する断面形状は、Ｖ字状に形成されている。Ｖ字形状は、深さ寸法よりも幅寸法の方が大きくなっている。また、凹部１１５は、末広部１１４において、噴出口１１４ａの近傍（図３中の寸法Ａの位置）に設けられている。具体的には、末広部１１４の軸方向の長さをＬとしたとき、末広部１１４において凹部１１５の形成される位置（寸法Ａ）は、噴出口１１４ａから冷媒の上流側に向けて、末広部１１４の軸方向長さＬの５〜１０％程度の位置となっている。

吸引部１２０は、ノズル部１１０に対して交差する方向に形成された通路であり、エジェクタ１００の外部からノズル部１１０の噴出口１１４ａと連通するように配置されている。吸引部１２０は、蒸発器１４の冷媒流出側と接続されている。

混合部１３０は、ノズル部１１０の下流側に設けられた通路であり、ノズル部１１０（噴出口１１４ａ）から噴出される高速度の噴出冷媒と、吸引部１２０（蒸発器１４）から吸引された吸引冷媒とを混合すると共に、混合された混合冷媒をディフューザ部１４０に流すようになっている。

ディフューザ部１４０は、混合部１３０から流出される混合冷媒の流れを減速し、速度エネルギを圧力エネルギに変換して昇圧させる昇圧部である。ディフューザ部１４０は、冷媒の流路断面積を下流側に向けて徐々に大きくする形状（いわゆるディフューザ形状）に形成されることで、上記の昇圧機能を有するようになっている。ディフューザ部１４０は、気液分離器１３と接続されている。

図１に戻って、気液分離器１３は、エジェクタ１００のディフューザ部１４０から流出される混合冷媒を気液二相に分離する分離器である。気液分離器１３には、気液分離器１３によって分離された気液二相の冷媒を内部に貯留する貯液部が一体的に形成されている。気液分離器１３によって、気液二相に分離された冷媒のうち、液相冷媒は貯液部内の下側に溜められ、また、気相冷媒は貯液部内において液相冷媒の上側に溜められるようになっている。貯液部の液相冷媒が溜まる部位は、冷媒配管によって蒸発器１４の冷媒流入側に接続されている。また、貯液部の気相冷媒が溜まる部位は、冷媒配管によって圧縮機１１の吸入側に接続されている。

蒸発器１４は、送風機によって空調装置の空調ケース内に導入された外気、あるいは車室内空気（以下、内気）からの吸熱作用によって、内部を流通する液相冷媒を蒸発させる熱交換器である。蒸発器１４の冷媒流出側は、冷媒配管によってエジェクタ１００の吸引部１２０に接続されている。

図示しない制御装置は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成されている。この制御装置には、乗員による操作パネル（図示せず）からの各種操作信号（空調作動スイッチ、設定温度スイッチ等）、各種センサ群からの検出信号等が入力されるようになっており、制御装置は、これらの入力信号を用いてＲＯＭ内に記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行って各種機器（ここでは主に圧縮機１１）の作動を制御する。

次に、上述構成に基づく本実施形態の作動および作用効果について説明する。

乗員からの空調作動スイッチ、設定温度スイッチ等が入力されると、制御装置から出力される制御信号が圧縮機１１の電磁クラッチに通電され電磁クラッチが接続状態となり、圧縮機１１に車両走行用エンジンから回転駆動力が伝達される。尚、圧縮機１１が電動圧縮機の場合は、電動モータが作動され、圧縮機１１に電動モータから回転駆動力が伝達される。

そして、制御装置から圧縮機１１の電磁式容量制御弁に制御プログラムに基づいて制御電流Ｉｎ（制御信号）が出力されると、圧縮機１１の吐出容量が調節され、圧縮機１１は貯液部１４から気相冷媒を吸入、圧縮して吐出する。

圧縮機１１から圧縮吐出された高温高圧の気相冷媒は凝縮器１２に流入する。凝縮器１２では高温高圧の冷媒が外気により冷却されて凝縮液化する。凝縮器１２から流出された液相冷媒は、エジェクタ１００のノズル部１１０（先細部１１２）内に流入する。

ノズル部１１０においては、先細部１１２、ノズル喉部１１３、および末広部１１４によって冷媒は減圧膨張され、気液二相冷媒となる。この減圧膨張時に冷媒の圧力エネルギが速度エネルギに変換されるので、気液二相冷媒は噴出口１１４ａから高速度となって噴出される。そして、この冷媒噴出流の冷媒吸引作用により、気液分離器１３内の液相冷媒が蒸発器１４内を流通して、気相冷媒となって吸引部１２０に吸引されることになる。

噴出口１１４ａから噴出された気液二相冷媒と吸引部１２０に吸引された気相冷媒は、ノズル部１１０の下流側の混合部１３０で混合され、混合冷媒となってディフューザ部１４０に流入する。このディフューザ部１４０では下流側に向かう通路面積の拡大により、冷媒の速度エネルギが圧力エネルギに変換されるため、冷媒の圧力が上昇する。

そして、ディフューザ部１４０から流出された冷媒は気液分離器１３に流入する。気液分離機１３にて気液二相に分離された冷媒は、貯液部に流入する。貯液部内の気相冷媒は、圧縮機１１に吸入され、再び圧縮される。このとき、圧縮機１１に吸入される冷媒の圧力は、エジェクタ１００のディフューザ部１４０によって上昇されているので、圧縮機１１の駆動動力を低減することが可能となる。

また、気液分離器１３にて気液二相に分離された冷媒のうち、液相冷媒は、エジェクタ１００の冷媒吸引作用により、貯液部から蒸発器１４に流入される。蒸発器１４では、低圧の液相冷媒が空調ケース内の空気（外気あるいは内気）から吸熱して蒸発気化する。つまり、空調ケース内の空気が冷却されることになる。そして、蒸発器１４を通過した後の気相冷媒はエジェクタ１００に吸引され、ディフューザ部１４０から流出される。

ここで、本実施形態では末広部１１４に凹部１１５を設けるようにしている。図４に示すように、ノズル喉部１１３において減圧された冷媒は、末広部１１４において加速され超音速となって凹部１１５に至る。凹部１１５の上流部においては、まず、通路断面積が通路壁面１１４ｂから凹部１１５の底部に向けて拡大されるので、超音速の冷媒は一度加速され、末広部１１４内に膨張波を発生させる。このとき冷媒の圧力は低下する。次に、凹部１１５の下流部において、通路断面積が凹部１１５の底部から通路壁面１１４ｂに向けて縮小されるので、加速された冷媒は、急激に減速され、衝撃波を発生させる。このとき冷媒の圧力は上昇する。これにより、噴出口１１４ａから噴出される噴流における膨張波の発生をなくし、噴流の流れを適正膨張あるいは過膨張に近い状態に維持でき、噴流による騒音を低減することができる。

また、凹部１１５の周方向に直交する断面形状をＶ字状にしているので、凹部１１５の上流部および下流部における通路面積の拡大、縮小率を一定にして、凹部１１５の上流部における冷媒の加速効果と、凹部１１５の下流側における冷媒の減速効果とを適切に得ることができる。

また、凹部１１５を設ける位置を、噴出口１１４ａから上流側に向けて末広部１１４の軸方向長さＬの５〜１０％の位置として、噴出口１１４ａの近傍となるようにしているので、末広部１１４における冷媒の基本的な流れにできるだけ支障を与えないようにして、上記のような凹部１１５の効果を発揮させることができる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。

上記実施形態では、末広部１１４に形成される凹部１１５の断面形状はＶ字状としたが、これに限らず、Ｕ字状としても良い。

また、ノズル部１１０に流入される高圧冷媒は、液相冷媒である場合を説明したが、これに限らず、気液二相冷媒の場合であっても良い。

また、本エジェクタ１００が使用される冷凍サイクル１０は、上記実施形態のものに限らず、２つの蒸発器を備え、ディフューザ部１４０から流出される冷媒を第１蒸発器に流入させ、また、凝縮器から流出される冷媒の一部を第２蒸発器に流入させ、第２蒸発器から流出される冷媒を吸引部１２０から吸引させるものとしても良い。あるいは、ディフューザ部１４０から流出される冷媒を圧縮機に流出させ、また、凝縮器から流出される冷媒の一部を減圧させた後に蒸発器に流入させ、蒸発器から流出される冷媒を吸引部１２０から吸引させるものとしても良い。

また、上記実施形態における冷凍サイクル１０は、上記のような車両用空調装置に代えて、車両用冷凍車、あるいは家庭用の給湯器用または室内空調用のヒートポンプサイクルに適用することができる。

また、上記実施形態においては、特に冷媒の種類を特定していないが、フロン系冷媒、ＨＣ系冷媒、二酸化炭素冷媒等を用いるものであって、通常サイクルに加えて超臨界サイクルおよび亜臨界サイクルに適用されるものとすることができる。

１０ 蒸気圧縮式冷凍サイクル
１００ エジェクタ
１１０ ノズル部（ノズル）
１１１ 冷媒通路（流体通路）
１１３ ノズル喉部（喉部）
１１４ 末広部
１１４ａ 噴出口
１１４ｂ 通路壁面
１１５ 凹部

Claims (3)

1. 内部に円形断面の流体通路（１１１）が形成され、前記流体通路（１１１）の途中で通路断面積が最も縮小された喉部（１１３）と、
   前記喉部（１１３）から下流側に向かうほど通路断面積が拡大する末広部（１１４）と、を有し、
   前記喉部（１１３）に流入する流体を減圧して、前記末広部（１１４）下流側先端の噴出口（１１４ａ）から噴出するノズル（１１０）を備えるエジェクタであって、
   前記末広部（１１４）の通路壁面（１１４ｂ）の前記噴出口（１１４ａ）近傍に、底部を有する凹部（１１５）が前記通路壁面（１１４ｂ）の周方向に一周分連続するように形成されたことを特徴とするエジェクタ。
2. 前記凹部（１１５）の前記周方向に直交する断面形状は、Ｖ字状に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のエジェクタ。
3. 前記凹部（１１５）が形成される前記噴出口（１１４ａ）近傍の位置は、前記噴出口（１１４ａ）から前記流体の上流側に向けて、前記末広部（１１４）の軸方向長さの５〜１０％の位置としたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエジェクタ。

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