JP7298214B2 - エジェクタ及び冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、エジェクタ及びエジェクタを適用した冷却システムに関するものである。

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、先端の噴射口から駆動流体が噴射されるノズル部と、ノズル部の周囲を取り囲むように配置され、ノズル部の噴射口延長上となる部位に中空部が設けられた本体部と、本体部の中空部に開口するように接続された吸引経路とを備えて構成されている。このエジェクタでは、ノズル部の噴射口から冷媒を駆動流体として噴射すると、吸引経路を通じて外部の冷媒が本体部の中空部に吸引され、吸引された吸引流体と駆動流体とが混合された後にディフューザで昇圧されて吐出口から吐出される（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８－６４０２１号公報

ところで、この種のエジェクタでは、吸引経路が本体部の外周面に設けられることが多い。しかしながら、本体部の外周面に吸引経路が設けられた場合には、ノズル部の手前側を通過する吸引流と、ノズル部の反対側を通過する吸引流とに偏りが生じる。この結果、本体部の中空部において渦が発生する等、冷媒の流れに乱れが生じ、ポンプ効率が低下する等の問題を招来するおそれがある。

本発明は、上記実情に鑑みて、中空部において流体の流れに乱れが生じる事態を防止することのできるエジェクタ及び冷却システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るエジェクタは、中心部に中空部を有した本体部と、先端の噴射口が前記中空部に位置した状態で前記本体部の基端部に配設されたノズル部とを備え、前記本体部の基端部を含む前記ノズル部の周囲には緩衝空間を構成するケース部が設けられ、前記本体部には、軸心を中心として回転対称の形状となる吸引孔が設けられ、前記ノズル部の噴射口から駆動流体が噴射された場合に前記緩衝空間及び前記吸引孔を介して吸引流体を前記中空部に吸引し、吸引した吸引流体と前記駆動流体とを混合した後に昇圧して前記本体部の吐出口から吐出するエジェクタであって、前記ノズル部の外周面と前記緩衝空間との間に断熱層が設けられていることを特徴とする。

また本発明は、上述したエジェクタにおいて、前記断熱層は、前記ノズル部の外周面と前記ケース部との間に形成された断熱空間であることを特徴とする。

また本発明は、上述したエジェクタにおいて、前記断熱層は、前記ノズル部の外周面と前記ケース部との間に配設された断熱材であることを特徴とする。

また本発明は、上述したエジェクタにおいて、前記吸引孔は、開口側に向けて漸次内径が増大するテーパ状を成していることを特徴とする。

また本発明に係る冷却システムは、循環ポンプ、加熱熱交換器及び凝縮器が設けられ、前記循環ポンプの駆動によってこれらの間に順次冷媒を循環させる循環経路と、前記循環経路に設けられ、前記加熱熱交換器において加熱された後の冷媒が前記駆動流体として前記ノズル部に供給され、かつ前記本体部の吐出口から吐出された冷媒が前記凝縮器に供給される上述したエジェクタと、前記循環経路において前記凝縮器及び前記循環ポンプの間に位置する部分から分岐し、前記エジェクタの緩衝空間に連通する分岐経路と、前記分岐経路に設けられ、冷媒を減圧する膨張機構と、前記膨張機構で減圧された冷媒を被冷却媒体との間で熱交換する蒸発器とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、吸引流体が緩衝空間に吸引された際に流速が緩和され、さらに回転対称の形状となる吸引孔を介して本体部の中空部に至る。このため、中空部に対して流体がほぼ均等に流れるようになり、渦が発生する事態を抑えることができ、ポンプ効率が低下する等の問題を招来するおそれがなくなる。しかも、ノズル部の外周面と緩衝空間との間に断熱層が設けられているため、緩衝空間に吸引された吸引流体の温度が低い場合にもノズル部から噴射される駆動流体の温度に影響を及ぼすおそれがなくなり、例えばノズル部からの駆動流体の吐出速度がばらついたり、下流側への冷媒の吐出流量がばらつく等の問題を招来するおそれがなくなる。

図１は、本発明の実施の形態であるエジェクタを適用した冷却システムの回路図である。 図２は、図１に示した冷却システムに適用するエジェクタを本体部の軸心を含む面で破断した断面図である。 図３は、図２に示したエジェクタを本体部の軸心に直交する面で破断した断面図である。 図４は、図２に示したエジェクタの変形例を示す断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明に係るエジェクタ及び冷却システムの好適な実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態であるエジェクタを適用した冷却システムを示したものである。ここで例示する冷却システムは、工場排水や使用済み冷却水等の排温水から排熱を回収して被冷却媒体を冷却するもので、冷媒管路（循環経路）１によって順次接続された循環ポンプ２、加熱熱交換器３、エジェクタ４、凝縮器５を備えている。被冷却媒体としては、水や油、あるいはその他の冷媒を対象とすることができる。本実施の形態では、特に、排温水から回収した排熱により、被冷却水（被冷却媒体）から冷水を生成する冷却システムを例示している。

循環ポンプ２は、冷媒管路１において冷媒の循環供給を行うものである。より詳細に説明すると、循環ポンプ２は例えば液相ポンプであり、冷媒をエジェクタ４の駆動圧力まで昇圧して供給するものである。加熱熱交換器３は、温水管路６に供給される排温水との間で熱交換を行うことにより、循環ポンプ２から供給された冷媒管路１の冷媒を蒸発させるものである。エジェクタ４は、加熱熱交換器３を通過した気相の冷媒と、後述の分岐管路（分岐経路）７から供給される気相の冷媒とを混合し、昇圧して下流に吐出するものである。凝縮器５は、エジェクタ４から吐出された気相の冷媒と、冷却水管路８に供給される冷却水との間で熱交換を行うことにより、冷媒管路１の冷媒を凝縮させるものである。

また、冷却システムには、分岐管路７が設けてある。分岐管路７は、凝縮器５を通過した後の冷媒管路１から分岐し、冷媒管路１を流通する冷媒の一部を吸引流体としてエジェクタ４に供給する吸引経路となるものである。この分岐管路７には、膨張機構９及び蒸発器１０が設けてある。膨張機構９は、凝縮器５を通過して分岐供給された冷媒を膨張させて減圧するものである。蒸発器１０は、膨張機構９を通過した後の液相の冷媒と、被冷却水管路１１に供給される被冷却水との間で熱交換を行うことにより、冷媒を蒸発させるものである。なお、膨張機構９としては電子膨張弁が最も好適であるが、用途や構成に合わせ、手動膨張弁、定圧膨張弁、温度膨張弁、オリフィス、キャピラリーなどを適宜選択しても良い。

図２は、上述の冷却システムに適用するエジェクタ４の詳細を示すものである。図に示すように、エジェクタ４は、ノズル部２０、本体部３０、ケース部４０を備えて構成してある。

ノズル部２０は、中心部に冷媒通路２１を有した断面が円形の筒状を成すものである。図２中の右側に位置するノズル部２０の先端部は、先端に向けて漸次外径が減少するテーパ状を成している。ノズル部２０の冷媒通路２１は、先端に向けて漸次内径が減少するテーパ状を成し、ノズル部２０の先端面に噴射口２１ａとして開口している。ノズル部２０の基端部には、加熱熱交換器３を通過した後の冷媒管路１が接続してある。

本体部３０は、中心部に中空部３１を有した断面が円形の筒状を成すもので、先端の吐出口３２が凝縮器５との間の冷媒管路１に接続してある。本体部３０の中空部３１には、基端から先端に向けて合流部３１ａ、混合部３１ｂ、ディフューザ部３１ｃが順次構成してある。合流部３１ａは、基端から先端に向けて漸次内径が減少するようにテーパ状に構成した部分である。混合部３１ｂは、基端が合流部３１ａの先端に連続し、ノズル部２０の噴射口２１ａよりも太径となる一定の内径を有した部分である。ディフューザ部３１ｃは、基端が混合部３１ｂの先端に連続し、先端に向けて漸次内径が増大する部分である。これら合流部３１ａ、混合部３１ｂ、ディフューザ部３１ｃは、本体部３０の軸心３０Ｃ上に設けてある。

この本体部３０に対しては、噴射口２１ａが本体部３０の混合部３１ｂに対向し、互いの軸心２０Ｃ，３０Ｃが合致した状態を維持するようにノズル部２０が配設してある。ノズル部２０は、合流部３１ａとの間に適宜な間隔を確保した状態でテーパ状を成す先端部が合流部３１ａの内部に位置するように配置してある。例えば、図には明示していないが、エジェクタ４には基台が設けられており、上述の関係を維持するように本体部３０及びノズル部２０がそれぞれ基台に固定してあれば良い。

ケース部４０は、本体部３０の基端部を含み、かつノズル部２０の先端部までの周囲を囲繞するように設けた中空状を成すもので、内部に環状の緩衝空間４１を構成している。より具体的に説明すると、ケース部４０は、本体部３０の基端部に支持させた外形が円形の先端壁４２と、ノズル部２０の先端部に支持させた外形が円形の基端壁４３と、これら先端壁４２及び基端壁４３の間に設けた円筒状の周囲壁４４とを有して構成したものである。先端壁４２は、平板状を成しており、中心部に設けた先端嵌合孔４２ａを介して本体部３０の外周面に接合してある。これに対して基端壁４３は、外周部４３ａが平板状を成す一方、中心部にテーパ部４３ｂを有している。テーパ部４３ｂは、外周部４３ａがケース部４０の内部に向けて突出し、かつ内部に向かうに従って漸次内径が減少するテーパ状を成すもので、中心部に設けた基端嵌合孔４３ｃを介してノズル部２０の先端部外周面に接合してある。図からも明らかなように、テーパ部４３ｂの傾斜角度は、ノズル部２０の先端部とほぼ同一に設定してある。これにより、ノズル部２０の外周面とケース部４０のテーパ部４３ｂとの間には、環状の断熱空間５０が構成され、また、テーパ部４３ｂと本体部３０の基端部との間には、緩衝空間４１と本体部３０の中空部３１との間を連通する環状の吸引孔５１が構成されている。

このケース部４０には、周囲壁４４に分岐管路７が接続してある。図２及び図３からも明らかなように、分岐管路７の軸心７Ｃは、本体部３０の軸心３０Ｃに直交する仮想の平面α上において本体部３０の軸心３０Ｃからずれており、本体部３０の軸心３０Ｃに対してねじれの位置となるように設定してある。より具体的に説明すると、分岐管路７は、本体部３０の軸心３０Ｃを含み、かつ分岐管路７の軸心７Ｃに対して平行となる仮想の二等分面βに対して一方側にずれており、先端の開口７ａが本体部３０の周面において仮想の二等分面βよりも一方側に位置する部分にのみ対向している。なお、分岐管路７の軸心７Ｃについては、本実施の形態のように分岐管路７が直線状に延在するものの場合、延在方向と平行になるよう軸心７Ｃの方向を定めているが、分岐管路７が曲線状等のように湾曲している場合には、実質上の冷媒の流入方向と平行になるよう軸心７Ｃの方向を定めても良い。また、分岐管路７の接続位置は、ケース部４０の先端側に設置することが好ましい。

上記のように構成した冷却システムでは、循環ポンプ２を駆動することにより冷媒管路１において冷媒を循環供給するとともに、温水管路６を通じて加熱熱交換器３に排温水を供給し、かつ冷却水管路８を通じて凝縮器５に冷却水を供給すると、エジェクタ４に対しては加熱熱交換器３を通過して気相となった冷媒が駆動流体として供給されることになる。エジェクタ４では、駆動流体がノズル部２０の噴射口２１ａから本体部３０の合流部３１ａに噴射されるため、合流部３１ａの圧力が低下することになり、この圧力低下に伴って冷媒管路１から分岐管路７へ分岐した冷媒が吸引流体として合流部３１ａに吸引される。合流部３１ａで合流した駆動流体と吸引流体とは、混合部３１ｂにおいて混合された後、ディフューザ部３１ｃで昇圧されて凝縮器５に吐出される。この結果、上述の冷却システムによれば、コンプレッサーを用いることなく、より低動力で冷媒を循環供給することができ、凝縮器５において冷却水管路８に供給される冷却水を加熱する一方、分岐管路７の蒸発器１０において被冷却水管路１１に供給される被冷却水から吸熱することができるようになる。従って、ランニングコストを抑えた上で、冷水を得ることが可能となる。

この間、エジェクタ４においては、分岐管路７から供給される吸引流体が一旦緩衝空間４１を経て合流部３１ａに供給されるため、緩衝空間４１において流速が緩和され、速度分布が不均一となる事態が防止される。しかも、速度分布が均一となった後の吸引流体は、環状の吸引孔５１を介して合流部３１ａに至るため、合流部３１ａに対して周囲全周からほぼ均等に流入されるようになる。これらの結果、合流部３１ａにおいては、冷媒の流れに乱れが生じるおそれがなくなるため、渦が発生する等の問題を招来することがない。これにより、分岐管路７を通じて吸引される吸引流体の流量が十分に確保されることになり、エジェクタ４のポンプ効率が低下する問題を防止することが可能となる。

加えて、実施の形態のエジェクタ４では、ノズル部２０の外周面とケース部４０の緩衝空間４１との間に環状の断熱空間５０が形成してあるため、互いの間に空気による断熱層が構成されることになる。従って、緩衝空間４１に吸引された吸引流体の温度が低い場合にもノズル部２０から噴射される駆動流体の温度に影響を及ぼすおそれがなくなる。これにより、ステンレス等の金属によってノズル部２０やケース部４０を成形した場合であっても、駆動流体の温度低下に起因したノズル部２０からの吐出速度や吐出流量のバラ付きが防止され、凝縮器５に対して常に一定量の冷媒を吐出することが可能となる。

なお、上述した実施の形態では、ノズル部２０の外周面とケース部４０の緩衝空間４１との間に断熱空間５０を形成することによって空気による断熱層を構成するようにしているが、本発明はこれに限定されない。例えば図４の変形例に示すように、ノズル部２０やケース部４０を構成する部材よりも熱伝導率の小さい材質（断熱材）によって成形した環状部材１５０をノズル部２０の外周面に配設することにより、固体状の断熱層を構成するようにしても良い。なお、図４に示す変形例において実施の形態と同様の構成については同一の符号が付してある。

また、ノズル部２０としては、必ずしも先端部の外周面がテーパ状を成している必要はなく、単に円筒状を成すノズル部２０を適用しても構わない。この場合、ノズル部２０部の外周面とケース部４０との間に設ける断熱層としては、円筒状に構成されることになるのはいうまでもない。

さらに、上述した実施の形態及び変形例では、吸引孔５１として一連の環状に開口するものを例示しているが、必ずしもこれに限定されず、本体部３０の軸心３０Ｃを中心として回転対称の形状となるように設けられていれば良い。例えば、本体部３０の軸心３０Ｃを中心とした円周上に複数の吸引孔を互いに等間隔に設けても、実施の形態と同様の作用効果を奏することが可能である。

またさらに、上述した実施の形態では、分岐管路７の軸心７Ｃが本体部３０の軸心３０Ｃに対してねじれの位置となるように設けてあるため、分岐管路７を通じて緩衝空間４１に吸引された吸引流体が本体部３０に衝突することなく本体部３０の周面に沿って反対側まで到達し、緩衝空間４１において流れに偏りを無くすことが可能である。しかしながら、本発明は、必ずしもこれに限定されない。

１ 冷媒管路
２ 循環ポンプ
４ エジェクタ
３ 加熱熱交換器
５ 凝縮器
７ 分岐管路
９ 膨張機構
１０ 蒸発器
２０ ノズル部
２１ａ 噴射口
３０ 本体部
３１ 中空部
３２ 吐出口
４０ ケース部
４１ 緩衝空間
５０ 断熱空間
５１ 吸引孔
１５０ 環状部材

Claims (3)

1. 中心部に中空部を有した本体部と、
   先端の噴射口が前記中空部に位置した状態で前記本体部の基端部に配設されたノズル部と
   を備え、
   前記本体部の基端部を含む前記ノズル部の周囲には緩衝空間を構成するケース部が設けられ、
   前記本体部には、軸心を中心として回転対称の形状となる吸引孔が設けられ、
   前記ノズル部の噴射口から駆動流体が噴射された場合に前記緩衝空間及び前記吸引孔を介して吸引流体を前記中空部に吸引し、吸引した吸引流体と前記駆動流体とを混合した後に昇圧して前記本体部の吐出口から吐出するエジェクタであって、
   前記ノズル部の外周面と前記緩衝空間との間に断熱層が設けられ、
   前記断熱層は、前記ノズル部の外周面と前記ケース部との間に形成された断熱空間であることを特徴とするエジェクタ。
2. 前記吸引孔は、開口側に向けて漸次内径が増大するテーパ状を成していることを特徴とする請求項１に記載のエジェクタ。
3. 循環ポンプ、加熱熱交換器及び凝縮器が設けられ、前記循環ポンプの駆動によってこれらの間に順次冷媒を循環させる循環経路と、
   前記循環経路に設けられ、前記加熱熱交換器において加熱された後の冷媒が前記駆動流体として前記ノズル部に供給され、かつ前記本体部の吐出口から吐出された冷媒が前記凝縮器に供給される請求項１または請求項２に記載したエジェクタと、
   前記循環経路において前記凝縮器及び前記循環ポンプの間に位置する部分から分岐し、前記エジェクタの緩衝空間に連通する分岐経路と、
   前記分岐経路に設けられ、冷媒を減圧する膨張機構と、
   前記膨張機構で減圧された冷媒を被冷却媒体との間で熱交換する蒸発器と
   を備えることを特徴とする冷却システム。

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