JP6883339B2 - エジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、エジェクタに関する。

エジェクタは、水蒸気等の流体をノズルから噴流し、噴流部出口の負圧を利用して他の流体を吸引する流体ポンプであり、産業用エジェクタ等に使われている（例えば、特許文献１から３参照）。すなわち、エジェクタは、一次流を高速で噴射して、周辺の流体を二次流として吸い込む。

また、プラントの分野、例えば炉過、蒸溜、浸透、吸収、乾操、混合、真空輸送、真空冷却、水冷却、及び脱水等の装置に、エジェクタが用いられている。

特開２００３−５６５００号公報 特開２０１１−１１７３４９号公報 特開２０１７−１５５６２１号公報

従来のエジェクタにおいて、１次流の圧力に対する２次流の吸込み流量の変化の典型的な特性を、図７中に実線の線Ｌ１で示す。なお、図７の縦軸は、吸込み性能（Suction Performance）を表す。マッハ数が１のときに、エジェクタのスロート部に流れる流体の流量は最大になる。吸込み性能は、スロート部に流れる流体の最大流量に対する、スロート部に実際に流れる流体の流量の比のことを意味する。吸込み性能は、１以下の値になる。吸込み性能が大きくなるほど、２次流の吸込み流量が多くなる。

線Ｌ１で示すように、１次流の圧力を大きくしていくと吸込み性能が大きくなり、２次流の吸込み流量も多くなる。しかし、１次流の圧力が圧力Ｐｓｓのときに、吸い込まれた２次流の空気が閉塞してしまう。１次流の圧力をさらに大きくしていくと、１次流の圧力が圧力Ｐｓｅのときに、２次流の空気の吸込み流量は少なくなり始める。さらに、１次流の圧力を大きくしていくと、１次流の圧力が圧力Ｐｅのときに、２次流の空気はエジェクタ内に入ってくることができなくなる。

線Ｌ１で示される特性の欠点は、１次流の圧力が大きくなると吸込み性能が低下することである。点線の線Ｌ２で示す特性のように、１次流の圧力が大きくても吸込み性能が大きいことが望ましい。
一点鎖線の線Ｌ３で示す特性の欠点は、１次流の圧力が大きくても吸込み性能が閉塞まで達しないことである。線Ｌ１又は線Ｌ２で示される特性のように、吸込み性能を閉塞まで達成できることが望ましい。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、吸込み性能を向上させたエジェクタを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明のエジェクタは、スロート部を有し第１方向に流体が流れる第１流路が形成されたラバールノズルと、管状に形成されて、内部に配置された前記ラバールノズルが内面の一部に固定され、前記内面の残部と前記ラバールノズルとの間に第２流路が形成された本体と、を備え、前記第２流路が前記第１流路に対して前記第１方向に直交する第２方向の第１の側に位置するとしたときに、前記第１流路の下流側の端における開口が形成された第１面は、前記下流側に向かうに従い前記第１の側とは反対側の第２の側に向かうように傾斜し、前記ラバールノズルにおける、前記開口と前記第２流路との間の第２面は、前記第２方向に沿い、前記ラバールノズルは、前記下流側に向かうに従い前記第１流路の前記第１方向に直交する断面積が大きくなる拡径部を有し、前記拡径部内を流れる前記流体の流速が、超音速になることを特徴としている。

また、上記のエジェクタにおいて、前記本体における前記第２の側の内面は、前記ラバールノズルよりも前記下流側に前記第１方向に対して平行に延び、前記本体の前記第２の側の外面に固定された第１案内部材を備え、前記第１案内部材における前記本体よりも前記下流側の外面は、前記下流側に向かうに従い前記第２の側に向かうように傾斜していてもよい。

また、上記のエジェクタにおいて、前記第１方向と前記第１面とがなす角度は、０°よりも大きく９０°未満であってもよい。
この発明によれば、第１流路内におけるスロート部よりも下流側で圧力が下がった流体を、第１の側に向かってより適切な向きで流すことにより、エジェクタの吸込み性能をさらに向上させることができる。

また、上記のエジェクタにおいて、前記ラバールノズルは、長手方向に直交する断面が矩形の角管状であり、内部に前記第１流路が形成されたノズル本体を有し、前記スロート部は、前記ノズル本体内に形成されていてもよい。

本発明のエジェクタによれば、吸込み性能を向上させることができる。

本発明の一実施形態のエジェクタの斜視図である。 図１中の要部の拡大図である。 図２中の要部の断面図である。 エジェクタのよどみ点の圧力に対する吸込み性能の関係を示す図である。 本発明の一実施形態の変形例におけるエジェクタの斜視図である。 本発明の一実施形態の変形例におけるエジェクタの斜視図である。 従来のエジェクタにおける１次流の圧力に対する吸込み性能の関係を示す図である。

以下、本発明に係るエジェクタの一実施形態を、図１から図６を参照しながら説明する。
図１から図３に示すように、本実施形態のエジェクタ１は、ラバールノズル１１と、チャンバー（本体）２１と、案内部材２６と、を備えている。なお、図１及び図２、及び後述する図５及び図６では、チャンバー２１の一部を示していない。
図３に示すように、ラバールノズル１１内に第１流体（流体）が流れる第１流路Ｃ１が形成され、チャンバー２１内に第２流体が流れる第２流路Ｃ２が形成されている。

ラバールノズル１１は、管状部１２と、突出部１３と、を備えている。管状部１２の形状は、特に限定されない。本実施形態では、管状部１２は、長手方向に直交する断面が矩形の角管状に形成されている。管状部１２内を第１流体が流れる第１方向Ｘは、管状部１２の軸線に沿う方向である。
管状部１２における、管状部１２内を第１流体が流れる下流側Ｘ１の端部には、切欠き１２ａが形成されている。下流側Ｘ１は、第１方向Ｘのうちの１つの向きである。
ここで、第１流路Ｃ１に対して第２流路Ｃ２が位置する向きを、第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙの第１の側Ｙ１と規定する。切欠き１２ａは、管状部１２の第１の側Ｙ１に形成されている。
なお、第１流体としては、窒素等のガスや、燃料等が用いられる。第２流体には、空気等が挙げられる。

突出部１３は、角筒状に形成されている。突出部１３の内部空間は、第１流路Ｃ１の一部を構成している。突出部１３は、管状部１２の下流側Ｘ１の端部における内周面に固定されている。
突出部１３は、縮径部１４と、拡径部１５と、を備えている。
縮径部１４は、下流側Ｘ１に向かうに従い、第１流路Ｃ１の第１方向Ｘに直交する断面積が小さくなるように形成されている。一方で、拡径部１５は、下流側Ｘ１に向かうに従い、第１流路Ｃ１の第１方向Ｘに直交する断面積が大きくなるように形成されている。本実施形態では、拡径部１５内の第１流路Ｃ１は円錐状である。拡径部１５の下流側Ｘ１の端に形成された開口１５ａは、第１流路Ｃ１の下流側Ｘ１の端に形成された開口となる。
開口１５ａは、第１流路Ｃ１のうち下流側Ｘ１の端面に開口する部分である。図２に示すように、開口１５ａは楕円状である。

図３に示すように、縮径部１４と拡径部１５との接続部分における第１流路Ｃ１として、突出部１３にスロート部１６が形成されている。スロート部１６は、第１流路Ｃ１の中で第１方向Ｘに直交する断面積が最も小さい。
開口１５ａは、下流側Ｘ１に向かうに従い第１の側Ｙ１に向かうように傾斜している。図３に示す、第１方向Ｘと開口１５ａとがなす角度θ１は、０°よりも大きく９０°未満である。角度θ１は、第１方向Ｘに沿う軸線と開口１５ａとがなす角度であり、開口１５ａよりも下流側Ｘ１、かつ、軸線よりも第１の側Ｙ１とは反対側の第２の側Ｙ２に形成される角度である。
開口１５ａが第１方向Ｘよりも第２流路Ｃ２側に向く角度θ２は、０°よりも大きく９０°未満である。なお、角度θ２は、９０°から角度θ１を引いた値である。
このように構成されたラバールノズル１１は、第１方向Ｘに沿う軸線周りに回転対称ではない。

チャンバー２１は、長手方向である第１方向Ｘに直交する断面が矩形の角管状（管状）に形成されている。チャンバー２１の内径は、ラバールノズル１１の外径よりも大きい。ラバールノズル１１は、チャンバー２１の内部に配置されている。チャンバー２１の内面における第２の側Ｙ２の部分（内面の一部）に、ラバールノズル１１が固定されている。
前述の第２流路Ｃ２は、チャンバー２１の第１の側Ｙ１の内面（内面の残部）と、ラバールノズル１１と、の間に形成されている。第２流路Ｃ２は、ラバールノズル１１の開口１５ａに、開口１５ａの第１の側Ｙ１から連通する。
チャンバー２１は、ラバールノズル１１よりも下流Ｘ１側に延びている。

図１及び図２に示すように、案内部材２６は、第１案内部材２７と、第２案内部材２８と、を備えている。
第１案内部材２７は、チャンバー２１の第２の側Ｙ２の外面に固定されている。第１案内部材２７は、チャンバー２１よりも下流側Ｘ１に延びている。第１案内部材２７におけるチャンバー２１の第２の側Ｙ２の内面に連なる外面２７ａは、下流側Ｘ１に向かうに従い第２の側Ｙ２に向かうように傾斜している。

第２案内部材２８は、第１案内部材２７の、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙにそれぞれ直交する第３方向Ｚの外面に固定されている。第２案内部材２８は、第１案内部材２７よりも第１の側Ｙ１にそれぞれ突出している。

次に、以上のように構成されたエジェクタ１の動作について説明する。
ラバールノズル１１の第１流路Ｃ１内に、上流側Ｘ２から第１流体を流す。第１流体はスロート部１６で絞られることにより流速が速くなり、圧力が下がる。この際に、スロート部１６内を流れる第１流体の流速のマッハ数が１になるように、第１流路Ｃ１内に流す第１流体の流量を調整することが好ましい。
スロート部１６で絞られた第１流体は、第１流路Ｃ１内における開口１５ａよりも下流側Ｘ１の拡径部１５内で圧力が下がる。このとき、第１流体の流速は超音速になる。開口１５ａは、下流側Ｘ１に向かうに従い第１の側Ｙ１に向かうように傾斜しているため、圧力が下がった第１流体は、下流側Ｘ１に向かうに従い第１の側Ｙ１に向かって流れる。この圧力が下がった第１流体により、第２流路Ｃ２を通して第２流体が効率的に吸い込まれる。
なお、互いに合流した第１流体及び第２流体は、案内部材２６に沿って下流Ｘ１側に流れる。
以上説明したように、本実施形態のエジェクタ１によれば、エジェクタ１の吸込み性能を向上させることができる。

角度θ１は、０°よりも大きく９０°未満である。角度θ２は、０°よも大きく９０°未満である。
角度θ１を０°よりも大きく９０°未満にすることにより、第１流路Ｃ１内におけるスロート部１６よりも下流側Ｘ１で圧力が下がった第１流体が、第１の側Ｘ１に向かってより適切な向きで流れ、エジェクタ１の吸込み性能をさらに向上させることができる。

ここで、実施例及び比較例のエジェクタの吸込み性能をシミュレーションした結果について説明する。各エジェクタに対して、ラバールノズル内の第１流体のよどみ点の圧力を変化させて吸込み性能を算出した。
実施例のエジェクタは、角度θ１を３０°、４５°、６０°とした。比較例のエジェクタは、角度θ１を９０°とした。
シミュレーション結果を、図４に示す。図４において、横軸はよどみ点の圧力（ＭＰａ（メガパスカル））を表し、縦軸は吸込み性能を表す。よどみ点の圧力は、エジェクタをロケットに用いたときのロケット圧力になる。
なお、ラバールノズル内の第１流体のよどみ点の圧力に代えて、ラバールノズル内の第１流体の全圧等を用いてもよい。

実線の線Ｌ１１は、比較例のエジェクタを表す。二点鎖線の線Ｌ１２は、角度θ１が３０°である実施例のエジェクタを表す。一点鎖線の線Ｌ１３は、角度θ１が４５°である実施例のエジェクタを表す。点線の線Ｌ１４は、角度θ１が６０°である実施例のエジェクタを表す。

比較例のエジェクタでは、よどみ点の圧力が約０．６ＭＰａから約１．１ＭＰａまで高くなるのに従い、吸込み性能が大きくなる。よどみ点の圧力が約１．１ＭＰａよりも高い場合には、よどみ点の圧力が高くなるのに従い、吸込み性能が小さくなる。
一方で、実施例のエジェクタでは、よどみ点の圧力が約０．６ＭＰａから約２．２ＭＰａまでの範囲のいずれにおいても、比較例のエジェクタに比べて吸込み性能が大きくなる。

よどみ点の圧力が約０．６ＭＰａから約２．２ＭＰａまでの範囲のいずれにおいても、角度θ１が６０°であるエジェクタの吸込み性能よりも、角度θ１が３０°及び４５°であるエジェクタの吸込み性能が大きくなる。角度θ１が３０°であるエジェクタの吸込み性能は、角度θ１が４５°であるエジェクタの吸込み性能に比べて、よどみ点の圧力が約０．６ＭＰａから約１．８ＭＰａ未満までの範囲において大きくなる。

角度θ１は、１５°以上７５°以下であることが好ましく、３０°以上６０°以下であることがより好ましく、４０°以上５０°以下であることがさらに好ましい。

比較例のエジェクタにおいて前述の吸込み性能が閉塞まで達成しないときでも、実施例のでエジェクタ１において角度θ１を０°よりも大きくすることにより、吸込み性能を閉塞まで達成することができる。角度θ１を調節することにより、エジェクタの使用用途に適した性能を得ることができる。

なお、本実施形態では、図５に示すように、エジェクタ２が複数（この変形例では３つ）のラバールノズル１１を備えてもよい。複数のラバールノズル１１は、第３方向Ｚに並べて配置されている。なお、エジェクタが備えるラバールノズル１１の数は、限定されない。
また、図６に示すように、エジェクタ３が、開口１５ａＡが矩形状のラバールノズル１１Ａを備えてもよい。

以上、本発明の一実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更、組み合わせ、削除等も含まれる。
例えば、前記実施形態及び変形例では、チャンバー２１は、円管状等に形成されてもよい。

１，２，３ エジェクタ
１１，１１Ａ ラバールノズル
１５ａ，１５ａＡ 開口
１６ スロート部
２１ チャンバー（本体）
Ｃ１ 第１流路
Ｃ２ 第２流路
Ｘ 第１方向
Ｘ１ 下流側
Ｙ 第２方向
Ｙ１ 第１の側
θ１ 角度

Claims (4)

1. スロート部を有し第１方向に流体が流れる第１流路が形成されたラバールノズルと、
   管状に形成されて、内部に配置された前記ラバールノズルが内面の一部に固定され、前記内面の残部と前記ラバールノズルとの間に第２流路が形成された本体と、
   を備え、
   前記第２流路が前記第１流路に対して前記第１方向に直交する第２方向の第１の側に位置するとしたときに、前記第１流路の下流側の端における開口が形成された第１面は、前記下流側に向かうに従い前記第１の側とは反対側の第２の側に向かうように傾斜し、
   前記ラバールノズルにおける、前記開口と前記第２流路との間の第２面は、前記第２方向に沿い、
   前記ラバールノズルは、前記下流側に向かうに従い前記第１流路の前記第１方向に直交する断面積が大きくなる拡径部を有し、
   前記拡径部内を流れる前記流体の流速が、超音速になるエジェクタ。
2. 前記本体における前記第２の側の内面は、前記ラバールノズルよりも前記下流側に前記第１方向に対して平行に延び、
   前記本体の前記第２の側の外面に固定された第１案内部材を備え、
   前記第１案内部材における前記本体よりも前記下流側の外面は、前記下流側に向かうに従い前記第２の側に向かうように傾斜している請求項１に記載のエジェクタ。
3. 前記第１方向と前記第１面とがなす角度は、０°よりも大きく９０°未満である請求項１又は２に記載のエジェクタ。
4. 前記ラバールノズルは、長手方向に直交する断面が矩形の角管状であり、内部に前記第１流路が形成されたノズル本体を有し、
   前記スロート部は、前記ノズル本体内に形成されている請求項１から３のいずれか一項に記載のエジェクタ。

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