JP7155897B2 - エジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、エジェクタに関する。

例えば、冷媒を循環させる回路にはエジェクタを備えたものがある。エジェクタは高圧の駆動流により低圧の吸引流を吸引する（例えば、特許文献１参照）。

図７に基づいて従来技術にかかるエジェクタ５００について説明する。エジェクタ５００は、ノズル５０２と、本体部５０４と、図示しないデフューザとを有している。ノズル５０２は、中空のノズル孔が形成され先端開口から駆動流を噴射させる。本体部５０４は、ノズル５０２の周囲に吸引通路部５０６を形成するように配置され、ノズル５０２の先端開口の延長上となる部位に合流部５０８が設けられ、さらにその下流側には混合部５１０が設けられている。エジェクタ５００は、ノズル５０２の先端開口から駆動流を噴射することにより吸引通路部５０６を通じて吸引流を本体部５０４の内部に吸引し、合流部５０８で駆動流と吸引流とが合流し、混合部５１０で混合された後にデフューザで昇圧されて外部に吐出される。

合流部５０８は、ノズル５０２の開口から混合部５１０までの間に設けられており、下流側に向かって縮径するテーパ形状となっている。合流部５０８はテーパ形状であることから、ノズル５０２の周囲の吸引通路部５０６から吸引流を吸引しやすく、また駆動流と吸引流とを合流させやすい。

特開２００４－４４４１２号公報

ところで、ノズル５０２から吐出した駆動流は合流部５０８で吸引流と合流し、混合部５１０に流入するが、流路軸の傾きやずれ、あるいは噴流の広がりにより流れの一部が混合部５１０入口付近の合流部５０８の壁面に衝突し渦５１２が発生する。また、態様により渦５１２はノズル５０２出口近傍まで達したり、合流部５０８のほぼ全長にわたるほど大きくなる場合もあり、渦損失の要因となり、さらにはエジェクタ５００の効率低下の要因となっている。このような渦５１２の発生は本願発明者が行ったシミュレーションにより確認されている。なお図７では模式的に、駆動流を太線矢印、吸引流を細線矢印で示している。また図７に示す渦５１２は模式的なものであり、態様により大きさや駆動流と吸引流の割合は異なる。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、合流部における渦の発生を抑制し、効率が高いエジェクタを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかるエジェクタは、中空のノズル孔が形成され先端開口から駆動流が噴射されるノズルと、前記ノズルの周囲に吸引通路部を形成するように配置され、前記ノズルの先端開口の延長上となる部位に駆動流及び吸引流の合流部が設けられた本体部と、を備え、前記ノズルの先端開口から駆動流を噴射することにより前記吸引通路部を通じて吸引流を前記本体部の内部に吸引し、前記合流部において駆動流及び吸引流を合流させるエジェクタであって、前記合流部は、上流側から下流側に向かって連続する第１流路、第２流路および第３流路を有し、前記第１流路および前記第３流路は下流に向かって縮径するテーパ形状をなし、前記第２流路の第２内周傾斜角は、前記第１流路の第１内周傾斜角および前記第３流路の第３内周傾斜角よりも小さいことを特徴とする。

前記第２内周傾斜角は０°であってもよい。

前記第２流路は下流に向かって拡径するテーパ形状をなしてもよい。

前記第３内周傾斜角は、前記第１内周傾斜角よりも小さくてもよい。

前記合流部には筒体が嵌めこまれ、前記筒体の内周面が前記第１流路および前記第２流路を形成してもよい。

本発明にかかるエジェクタでは、合流部が第１流路、第２流路および第３流路を有おり、第１流路および第３流路は下流に向かって縮径するテーパ形状をなし、第２流路の第２内周傾斜角は、第１流路の第１内周傾斜角および第３流路の第３内周傾斜角よりも小さく設定されている。これにより、発生する渦は第２流路および第３流路の付近に抑えられて小さくなり、効率が高くなる。

図１は、実施の形態にかかるエジェクタを示す側面断面図である。 図２は、エジェクタにおけるノズルの先端部および本体部の側面断面図である。 図３は、第１の変形例におけるノズルの先端部および本体部の側面断面図である。 図４は、第２の変形例におけるノズルの先端部および本体部の側面断面図である。 図５は、第３の変形例におけるノズルの先端部および本体部の側面断面図である。 図６は、第４の変形例におけるノズルの先端部および本体部の側面断面図である。 図７は、従来技術にかかるエジェクタを示す側面断面図である。

以下に、本発明にかかるエジェクタの実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は本発明の実施の形態であるエジェクタ１の内部構造を模式的に示す断面側面図である。ここで例示するエジェクタ１は、図には明示していないが、冷媒の循環回路に適用され、第１の冷媒経路を流通する冷媒を駆動流として第２の冷媒経路を流通する冷媒の吸引を行うもので、ノズル１０、本体部２０、デフューザ部２４、吸引管路３０、ニードル４０を備えている。エジェクタ１の適用流体は冷媒に限らず、例えば空気を適用してもよい。

ノズル１０は、中心部にノズル孔１１を有した円筒状を成すものである。ノズル孔１１は、中心軸がノズル１０の中心軸Ｊに一致するように形成されており、通過する高圧の駆動流を減圧して先端開口１１ａより噴出するものである。このノズル孔１１は、先端開口１１ａに向かうに連れて横断面積が漸次縮径した後に漸次拡径する形状を成しており、横断面積が最小となる喉部１１ｂを有している。ノズル１０は喉部１１ｂがなく、先端開口１１ａが最も小径となっている形状でもよい。ノズル孔１１の基端側にはやや広い駆動流室１２ａが設けられている。駆動流室１２ａには側方に突出する駆動流管１２から駆動流が導入される。駆動流室１２ａの基端側はブロック１２ｂで塞がれている。ブロック１２ｂにはニードル４０が挿通する中心孔が設けられている。

本体部２０は、中心部が中空で断面が円形の筒状を成すものである。本体部２０の中空部には、吸引通路部２１、合流部２２、混合部２３が設けてある。吸引通路部２１は、ノズル１０の外径よりも太径となる内径を有した部分であり、本体部２０の基端部分に設けてある。つまり、ノズル１０の周囲と本体部２０との隙間のテーパ筒状の領域が吸引通路部２１となっている。

合流部２２の内周面には筒体５０が嵌めこまれている。合流部２２および筒体５０については後述する。混合部２３は、合流部２２の先端に連続し、ノズル１０の先端内径よりも太径となる一様の内径を有した部分である。本体部２０の基端側には側方に突出する吸引管路３０が設けられている。吸引管路３０は吸引通路部２１と連通しており、該吸引通路部２１に低圧の吸引流が導入される。吸引通路部２１の基端側はノズル１０と一体的に構成されたノズル体１１ｃの段差壁によって塞がれている。

デフューザ部２４は、混合部２３の先端に連続し、先端に向けて漸次拡径するようにテーパ状に形成した部分であり、混合部２３にて混合された冷媒を昇圧させる。昇圧された混合冷媒は外部に向けて吐出されることになる。デフューザ部２４は、本体部２０と一体型でもよい。

本体部２０の中空部には、互いの軸心を合致させ、ノズル１０の先端と混合部２３との間に適宜な隙間を確保した状態でノズル１０が固定してある。すなわち、本体部２０は、ノズル１０の周囲を取り囲むように配設してあり、ノズル１０の先端開口延長上となる部位に合流部２２が位置している。ノズル１０の先端開口と本体部２０の混合部２３とは、互いに軸心が合致した状態で相互に対向している。

ノズル１０にはニードル４０が設けられている。ニードル４０は、略円柱状の形態を成す胴部４０ａと、胴部４０ａの先端側において下流側に向かうに連れて漸次縮径する先端部４０ｂとを有した形状である。ニードル４０は、ノズル１０の中心軸Ｊ方向に沿って進退移動可能に配設されており、外周面とノズル孔１１の内周面との間隙で決まる駆動流の通過断面積を変化させることにより駆動流の流量を調整するものである。ニードル４０は、図示せぬ制御手段から与えられる指令に応じて進退移動する。ニードル４０の変位は、例えば冷媒循環回路の所定箇所温度に基づいて調整される。エジェクタ１はニードル４０のないタイプであってもよい。

このようなエジェクタ１では、ノズル１０の先端から冷媒を駆動流として噴射すると、吸引管路３０を通じて冷媒が吸引流として本体部２０の吸引通路部２１に吸引されることになる。本体部２０に流入された吸引流は、吸引管路３０と吸引通路部２１との流路断面積の変化に伴って減速された後、合流部２２及び混合部２３においてノズル１０から噴射された駆動流に混合され、デフューザ部２４を介して図示せぬ冷媒経路に送出されることになる。また、ニードル４０の変位に応じて喉部１１ｂにおける通過断面積が変化するため駆動流の流量が調整され、それに応じて吸引流の流量も調整されることになる。

図２は、エジェクタ１におけるノズル１０の先端および本体部２０の模式断面側面図である。図２では模式的に、駆動流を太線矢印、吸引流を細線矢印で示している。合流部２２は、中心軸Ｊを中心とした同軸上で上流側から下流側に向かって周面が連続する第１流路２２ａ、第２流路２２ｂおよび第３流路２２ｃを有する。すなわち、合流部２２の全長Ｌは、第１流路２２ａの長さＬ１、第２流路２２ｂの長さＬ２および第３流路２２ｃの長さＬ３の合計長さとなっている。長さＬ１～Ｌ３は設計条件によって設定される。

第１流路２２ａ、第２流路２２ｂおよび第３流路２２ｃはそれぞれ円形断面である。第１流路２２ａ、第２流路２２ｂおよび第３流路２２ｃの内周面が中心軸Ｊとの間でなす角度を第１内周傾斜角θ１、第２内周傾斜角θ２および第３内周傾斜角θ３とし、それぞれ下流に向かって縮径する場合をプラス、拡径する場合をマイナスとする。

第１流路２２ａおよび第３流路２２ｃは下流に向かって縮径するテーパ形状をなしており、第１内周傾斜角θ１および第３内周傾斜角θ３はそれぞれプラスとなっている。また、図２の本体部２０の場合では、第３内周傾斜角θ３は、第１内周傾斜角θ１よりも小さくなっている。

第２内周傾斜角θ２は、第１内周傾斜角θ１および第３内周傾斜角θ３よりも小さくなっている。図２の本体部２０の場合では、第２流路２２ｂが直円柱形状となっており第２内周傾斜角θ２は０°である。これらの関係を式で表すと、θ１＞θ３＞θ２＝０°、となる。第１流路２２ａと第２流路２２ｂとの境部、および第２流路２２ｂと第３流路２２ｃとの境部は緩やかな曲面でつながっていてもよい。

このようなエジェクタ１では、ノズル１０から吐出した駆動流は合流部２２で吸引流と合流し、混合部２３に流入するが、流路軸の傾きやずれ、あるいは噴流の広がりにより流れの一部が混合部２３入口付近の合流部２２の壁面に衝突し渦６０が発生し得る。図２では模式的に、駆動流を太線矢印、吸引流を細線矢印で示している。また渦６０は模式的なものであり、態様により大きさや駆動流と吸引流の割合は異なる。

渦６０と従来技術にかかる渦５１２（図７参照）とは発生原理が同じであるが大きさが異なる。すなわち、ノズル１０から吐出した駆動流は広がりをもっており、概ね第３流路２２ｃの内周面に衝突していると考えられる。また、低圧低速の吸引流は駆動流によって吸引および加速されるが、その一部は加速しきれずに駆動流から剥離してしまい第３流路２２ｃの内周面に衝突した駆動流とともに上流方向に向かって流れ、渦６０が発生していると考えられる。

ところで、発生した渦６０は第３流路２２ｃの内周面から第２流路２２ｂの内周面に沿って流れるが、第２内周傾斜角θ２はθ２＝０であって、プラスの第３内周傾斜角θ３よりも小さい角度となっていることから、上流側へ向かう流れは第２流路２２ｂにおいて内向き方向に案内される。第２流路２２ｂの上流端と第３流路２２ｃの下流端との間を結ぶ仮想線Ｌｉを規定したとき、第２流路２２ｂの内周面と第３流路２２ｃの内周面と仮想線Ｌｉとで囲まれるスペースＡが形成されることにより、渦６０は該スペースＡの中にかなりの部分が収まり、スペースＡよりも上流側への伸びが抑制される。エジェクタ１では、渦６０および渦損失が抑制されることにより効率が向上する。

また、第１内周傾斜角θ１は比較的大きい角度となっていることから、吸引通路部２１から導入される吸引流は内向き傾向が強くなっており、この吸引流の流れにより渦６０が上流側まで伸びることが抑止される。さらに、合流部２２に向けて流れを中心軸Ｊ方向に収束させることが望ましいが、第１内周傾斜角θ１が第３内周傾斜角θ３よりも大きく設定されていることから、このような収束が促進される。ただし条件によっては、第３流路２２ｃおよび混合部２３において吸引流と駆動流との混合を促進させるため、第３内周傾斜角θ３を第１内周傾斜角θ１より大きく設定してもよい。

なお、第１流路２２ａおよび第２流路２２ｂは筒体５０の内周面によって形成されている。筒体５０の外周面は下流に向かって縮径するテーパ形状でありその傾斜角は、例えば第３内周傾斜角θ３と等しく設定されており、筒体５０は本体部２０に対して隙間なく嵌合している。つまり、筒体５０を嵌め込む前の合流部２２の角度は全長Ｌにわたって第３内周傾斜角θ３と等しい簡易な形状であり、加工が容易である。筒体５０の下流端は第２流路２２ｂと第３流路２２ｃとの境部となっており、該境部は段差や隙間のない形状となっている。

筒体５０の内周面における上流側部分は吸引通路部２１の内周面を兼ねている。この吸引通路部２１と第１流路２２ａとは連続したテーパ面を形成している。つまり、吸引通路部２１は、少なくとも下流端の内周面角が第１流路２２ａの第１内周傾斜角θ１と等しくなっている。これにより、吸引通路部２１から合流部２２にかけて吸引流がスムーズに流れ込む。

筒体５０は本体部２０とは別体に製作されることから、第１流路２２ａおよび第２流路２２ｂを形成しやすい。また、筒体５０を交換したり、条件によって異なる形状に設定することも可能である。条件によって筒体５０（および後述する筒体５０ａ～５０ｄ）は省略可能であり、筒体５０に相当する部分が本体部２０と一体であってもよい。

次に、エジェクタ１における本体部２０について第１～第４の変形例を説明する。

図３は、第１の変形例である本体部２０ａおよびノズル１０の先端部の側面断面図である。本体部２０ａは、上記の本体部２０と比較して筒体５０の代わりに筒体５０ａが設けられている。筒体５０ａは筒体５０と外周面形状が同じであり、同じ箇所に設けられており、内周面形状が異なっている。筒体５０ａの内周面は筒体５０と同様に第１流路２２ａおよび第２流路２２ｂを形成するが、第１内周傾斜角θ１および第２内周傾斜角θ２が筒体５０とは異なっている。

筒体５０ａによる第２流路２２ｂは下流に向かって拡径するテーパ形状をなす。つまり、第２内周傾斜角θ２はマイナスとなっている。また、第２内周傾斜角θ２がマイナスとなっていることに対応して、それだけ第１内周傾斜角θ１はプラス方向に大きくなっている。ただし、第１内周傾斜角θ１は上記の筒体５０の場合（図２参照）と同じ程度に形成してもよい。この本体部２０ａの合流部２２における第１内周傾斜角θ１、第２内周傾斜角θ２および第３内周傾斜角θ３の関係を式で表すと、θ１＞θ３＞０＞θ２、となる。

このような本体部２０ａによればスペースＡが広くなって渦６０を収めやすくなり、渦６０を一層抑制することができる。また、第２内周傾斜角θ２はマイナスとなっていることから渦６０の流れのうち上流へ向かう部分は強く内向き方向に案内され、渦６０が上流方向に伸びることを一層抑制できる。

さらに、第２内周傾斜角θ２はマイナスであることから、スペースＡは合流部２２において外径方向に向かって窪んだ形状となっている。このような窪みを形成することは製作する上で困難であり又はコスト高となるが、本体部２０ａにおいては筒体５０ａをインサートすることにより窪みが形成されるため、製作が容易である。

図４は、第２の変形例である本体部２０ｂおよびノズル１０の先端部の側面断面図である。本体部２０ａは、上記の本体部２０と比較して筒体５０の代わりに筒体５０ｂが設けられている。筒体５０ｂは筒体５０と外周面形状が同じであり、同じ箇所に設けられており、内周面形状が異なっている。筒体５０ｂの内周面は筒体５０と同様に第１流路２２ａおよび第２流路２２ｂを形成するが、第１内周傾斜角θ１および第２内周傾斜角θ２が筒体５０とは異なっている。

筒体５０ｂによる第２流路２２ｂは下流に向かって縮径するテーパ形状をなす。つまり、第２内周傾斜角θ２はプラスとなっているが、第３内周傾斜角θ３よりは小さく設定されている。つまり、第１内周傾斜角θ１、第２内周傾斜角θ２および第３内周傾斜角θ３の相対的な大小関係は上記の本体部２０（図３参照）と同じである。この本体部２０ｂの合流部２２における第１内周傾斜角θ１、第２内周傾斜角θ２および第３内周傾斜角θ３の関係を式で表すと、θ１＞θ３＞θ２＞０°、となる。

本体部２０ｂでは、第２内周傾斜角θ２がプラスとなっていることから、スペースＡは相当に小さくなっている。このようにスペースＡが狭い場合でも、吸引流の流れが冷媒の圧力、流速、温度の状態や、各部の寸法などによっては渦６０を抑制する相応の効果が得られる。また、吸引流は流れの向きが直線に近くなってスムーズに吸引されることになる。

図５は、第３の変形例である本体部２０ｃおよびノズル１０の先端部の側面断面図である。本体部２０ｃは、上記の本体部２０と比較して筒体５０の代わりに筒体５０ｃが設けられている。筒体５０ｃは筒体５０と外周面形状がほぼ同じであり、同じ箇所に設けられており、内周面形状が異なっている。筒体５０ｃの内周面は筒体５０と同様に第１流路２２ａおよび第２流路２２ｂを形成するが、第１内周傾斜角θ１が筒体５０とは異なっている。この筒体５０ｃによる第１内周傾斜角θ１は第３内周傾斜角θ３と同じに設定されている。第２内周傾斜角θ２は筒体５０と同様にθ２＝０°となっている。この本体部２０ｃの合流部２２における第１内周傾斜角θ１、第２内周傾斜角θ２および第３内周傾斜角θ３の関係を式で表すと、θ１＝θ３＞θ２＝０°、となる。このように、第１内周傾斜角θ１が第３内周傾斜角θ３と等しい場合でも、吸引通路部２１から導入される吸引流の流れは内向きに案内されて渦６０を抑制する相応の効果が得られる。

また、筒体５０ｃにおける第１流路２２ａの第１内周傾斜角θ１がθ１＝θ３であることから、筒体５０ｃの外周傾斜角θ４は、θ４＜θ１＝θ３となる。従って、合流部２２において、筒体５０ｃが嵌めこまれる部分の内周面も傾斜角がθ４となり、第３流路２２ｃの第３内周傾斜角θ３よりは小さくなる。これにより、筒体５０ｃが嵌めこまれる部分と第３流路２２ｃとの境部は、上流側よりも下流側の方が角度が大きくなる角度不連続部が形成され、筒体５０ｃが確実に位置決めされる。角度不連続部によれば、筒体５０ｃは多少弾性があっても楔状に過度に嵌まり込むことがなく、例えばメンテナンス時や部品交換の分解に好都合である。

図６は、第４の変形例である本体部２０ｄおよびノズル１０の先端部の側面断面図である。本体部２０ｄは、上記の本体部２０と比較して筒体５０の代わりに筒体５０ｄが設けられている。筒体５０ｄは筒体５０と内周面形状が同じであり、同じ箇所に設けられており、外周面形状が異なっている。筒体５０ｄの外周面は直円柱形状であり、外周傾斜角θ４は、θ４＝０°である。本体部２０ｄには筒体５０ｄが嵌る円柱穴が設けられている円柱穴の深さは第３流路２２ｃの上流端位置まで達しており、この部分に段差部が形成されている。筒体５０ｄは段差部に当接して位置決めされる。

このような本体部２０ｄでは、少なくとも合流部２２の箇所についてテーパ形状の加工を行うのが第３流路２２ｃだけで済み、製作コストの低下を図ることができる。段差部によれば、筒体５０ｄは多少弾性があっても楔状に過度に嵌まり込むことがなく、例えばメンテナンス時や部品交換の分解に好都合である。

本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。

１ エジェクタ
１０ ノズル
１１ ノズル孔
１１ａ 先端開口
１２ 駆動流管
２０，２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄ 本体部
２１ 吸引通路部
２２ 合流部
２２ａ 第１流路
２２ｂ 第２流路
２２ｃ 第３流路
２３ 混合部
２４ デフューザ部
３０ 吸引管路
４０ ニードル
５０，５０ａ，５０ｂ，５０ｃ，５０ｄ 筒体
６０ 渦
Ａ スペース
Ｊ 中心軸
θ１ 第１内周傾斜角
θ２ 第２内周傾斜角
θ３ 第３内周傾斜角
θ４ 外周傾斜角

Claims (5)

1. 中空のノズル孔が形成され先端開口から駆動流が噴射されるノズルと、
   前記ノズルの周囲に吸引通路部を形成するように配置され、前記ノズルの先端開口の延長上となる部位に駆動流及び吸引流の合流部が設けられた本体部と、
   を備え、前記ノズルの先端開口から駆動流を噴射することにより前記吸引通路部を通じて吸引流を前記本体部の内部に吸引し、前記合流部において駆動流及び吸引流を合流させるエジェクタであって、
   前記合流部は、上流側から下流側に向かって連続する第１流路、第２流路および第３流路を有し、
   前記第１流路および前記第３流路は下流に向かって縮径するテーパ形状をなし、
   前記第２流路の第２内周傾斜角は、前記第１流路の第１内周傾斜角および前記第３流路の第３内周傾斜角よりも小さいことを特徴とするエジェクタ。
2. 前記第２内周傾斜角は０°であることを特徴とする請求項１に記載のエジェクタ。
3. 前記第２流路は下流に向かって拡径するテーパ形状をなすことを特徴とする請求項１に記載のエジェクタ。
4. 前記第３内周傾斜角は、前記第１内周傾斜角よりも小さいことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のエジェクタ。
5. 前記合流部には筒体が嵌めこまれ、
   前記筒体の内周面が前記第１流路および前記第２流路を形成することを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のエジェクタ。

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