JP7342558B2

JP7342558B2 - エジェクタ

Info

Publication number: JP7342558B2
Application number: JP2019170159A
Authority: JP
Inventors: 時空吉田; 健松原
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2019-09-19
Filing date: 2019-09-19
Publication date: 2023-09-12
Anticipated expiration: 2039-09-19
Also published as: JP2021046827A

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、先端の開口から駆動流が噴射されるノズルと、ノズルの周囲を取り囲むように配置され、ノズルの先端開口延長上となる部位に駆動流との合流部が設けられた本体部と、本体部の内部に開口するように接続された吸引管路とを備えて構成されている。エジェクタでは、一般的にノズルの先端開口から冷媒を駆動流として噴射すると該駆動流は超音速へと加速される。加速・減圧したガスは、吸引管路を通じて冷媒を吸引流として本体部の内部に吸引する。吸引流は合流部において駆動流と合流する。吸引流と駆動流とは、混合部において混合された後にデ_イフューザで昇圧されて吐出口から吐出される。

特開２０１０－２８１５６７号公報

ところで、ノズルより噴出するガスは一般に超音速流体となって吸引流と混合する。超音速の駆動流においては、圧縮性の影響により横渦（流れ方向に垂直方向に軸を持つ渦）の生成が抑制されるため、亜音速流体よりも吸引流との混合が進みにくく、混合成長率は亜音速の場合の３割程度である。そのため、超音速流体の混合では混合境界層の不安定性により生じる縦渦（流れ方向に軸を持つ渦）により攪拌がなされるが、縦渦は流れと共に徐々に成長していくため、十分な混合効果を得るには混合部流路を相当に長くする必要がある。混合部流路を実用上の適度な長さにすると駆動流と吸引流とが十分に混合できず、効率がよくない。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、高効率の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、ノズル孔を有する筒体のノズルと、前記ノズルの周囲における吸引流の吸引通路部、および前記ノズルの先端開口の延長上における駆動流と吸引流との合流部をそれぞれ形成するように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合流部に吸引して駆動流及び吸引流を混合するエジェクタであって、前記ノズルは、内周面または筒体内部に設けられ、駆動流の一部または全体に旋回方向の力を与える螺旋形状で複数の駆動流旋回手段を備えることを特徴とする。

また、本発明にかかるエジェクタは、ノズル孔を有する筒体のノズルと、前記ノズルの周囲における吸引流の吸引通路部、および前記ノズルの先端開口の延長上における駆動流と吸引流との合流部をそれぞれ形成するように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合流部に吸引して駆動流及び吸引流を混合するエジェクタであって、前記ノズルは、内周面または筒体内部に設けられ、前記ノズルの中心軸と垂直な平面において駆動流と吸引流との境界にまたがるような回転方向の力を与える螺旋形状で複数の駆動流縦渦生成手段、および外周面に設けられ、前記ノズルの中心軸と垂直な平面において駆動流と吸引流との境界にまたがるような回転方向の力を与える螺旋形状で複数の吸引流縦渦生成手段のうち少なくとも一方を備えることを特徴とする。

前記ノズルは、内周面または筒体内部に設けられ、前記ノズルの中心軸と垂直な平面において駆動流と吸引流との境界にまたがるような回転方向の力を与える螺旋形状で複数の駆動流縦渦生成手段、および外周面に設けられ、前記ノズルの中心軸と垂直な平面において駆動流と吸引流との境界にまたがるように回転方向の力を与える螺旋形状で複数の吸引流縦渦生成手段のうち少なくとも一方を備えていてもよい。

前記ノズルは少なくとも前記駆動流縦渦生成手段を備え、前記駆動流縦渦生成手段は、前記ノズルの内周面に設けられた溝または突起によって形成されていてもよい。

前記ノズルは少なくとも前記駆動流縦渦生成手段を備え、前記駆動流縦渦生成手段は、前記ノズルを形成する筒体内部の孔によって形成されていてもよい。

前記ノズルは少なくとも前記吸引流縦渦生成手段を備え、前記吸引流縦渦生成手段は、前記ノズルの外周面に設けられた溝または突起によって形成されていてもよい。

前記ノズルは、前記駆動流縦渦生成手段および前記吸引流縦渦生成手段の両方を備え、前記駆動流縦渦生成手段と前記吸引流縦渦生成手段とは螺旋方向が逆向きであってもよい。

本発明にかかるエジェクタでは、駆動流および吸引流の少なくとも一方に対して旋回する方向の流れを生じさせ、旋回流を発生させることができ、また、縦渦の発生と成長とを促進させることができる。したがって、駆動流と吸引流との混合が促進され混合部の長さを抑制することができるとともに効率が向上する。

図１は、本発明の実施の形態であるエジェクタの内部構造を模式的に示す断面側面図である。図２は、ノズルの下流側で発生する渦を示す模式図である。図３は、一般的なエジェクタにおけるマッハ数と混合成長率との関係を示すグラフである。図４は、第１の具体例にかかるノズルの先端部を示す模式斜視図である。図５は、第２の具体例にかかるノズルの先端部を示す模式斜視図である。図６は、第３の具体例にかかるノズルの先端部を示す模式斜視図である。図７は、第４の具体例にかかるノズルの先端部を示す模式斜視図である。図８は、第５の具体例にかかるノズルの先端部を示す模式斜視図である。図９は、第６の具体例にかかるノズルの先端部を示す模式斜視図である。

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ある。エジェクタ１は冷媒の循環回路以外にも適用可能であり、適用流体は冷媒に限らず、例えば空気を適用してもよい。

エジェクタ１は、ノズル孔１１が形成され先端開口１１ａから駆動流が噴射されるノズル１０と、ノズル１０の周囲に吸引流の吸引通路部２１を形成するように配置され、先端開口１１ａの延長上となる部位に駆動流及び吸引流の合流部２２が設けられた本体部２０とを備える。エジェクタ１は、先端開口１１ａから駆動流を噴射することにより吸引通路部２１を通じて吸引流を本体部２０の内部に吸引し、合流部２２において駆動流及び吸引流を合流させる。なお、図１におけるノズル１０としては、具体的には後述するノズル１０Ａ～１０Ｆなどが適用可能である。

ノズル１０は、中心部にノズル孔１１を有する先細り形状の筒体である。ノズル孔１１は、中心軸がノズル１０の中心軸Ｌ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（つまり正面からみた断面積）が漸次縮小した後に漸次拡大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。

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およびデ_イフューザ部２４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は、吸引通路部２１の先端に連続し、先端に向けて漸次内径が減少するようにテーパ状に形成した部分である。エジェクタ１では、吸引通路部２１と合流部２２とが連続する同傾斜のテーパ面を形成している。

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。デ_イフューザ部２４は、混合部２３の先端に連続し、先端に向けて漸次内径が増加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。

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。

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１１ａの延長上となる部位に合流部２２が位置している。合流部２２では駆動流と吸引流とが合流する。ノズル１０の先端開口１１ａ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。

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ことにより吸引通路部２１を通じて吸引流を合流部２２に吸引して、混合部２３で駆動流及び吸引流を混合する。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加速された後、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_イフューザ部２４を介して図示せぬ冷媒経路に送出されることになる。

図示を省略するが、ノズル１０の中心には軸方向に沿って進退可能なニードルが設けられていてもよい。ニードルは、その外周面とノズル孔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。

図２は、ノズル１０の下流側で発生する渦を示す模式図である。図２に示すように、ノズル１０の先端開口１１ａより下流側では、駆動流混合境界５０の近くで渦が発生し、駆動流と吸引流とが混合される。発生する渦には横渦５１と縦渦５２とがある。横渦５１は、流れ方向に垂直な軸を持つ２次元流れであり、縦渦５２は、流れ方向の軸を持つ３次元流れである。縦渦５２は、中心軸Ｌと垂直な平面において駆動流と吸引流との境界である駆動流混合境界５０にまたがるような渦である。大きな横渦５１が発生すると損失が大きくなるが、エジェクタ１ではノズル１０から噴出する駆動流が超音速となっており、横渦５１はほとんど発生せず、縦渦５２によって駆動流と吸引流とが混合される。

図３は、亜音速から超音速の流体におけるマッハ数Ｍｃと混合成長率δ／δ_０との関係を示すグラフである。このグラフは以下の文献による。
D.Papamoschou:Model for entropy production and pressure variation in confined turbulent mixing, AIAA J.3(1993) 1643-1650

このグラフから明らかなように、駆動流が超音速の領域（Ｍｃ＞１の範囲）ではδ／δ_０が０．３程度となっている。つまり、超音速域では亜音速域に比べて十分な混合が得られていない。これは、超音速域では縦渦５２によって駆動流と吸引流とが混合されることに起因する。縦渦５２は流れとともに徐々に成長するため十分な混合効果を得るためには混合部２３を長くしなければならない。エジェクタ１においては、具体的なノズル１０として以下のノズル１０Ａ～１０Ｆを採用することにより、混合部２３を適度な長さに抑えるとともに高効率化を実現している。

次に、ノズル１０の具体例について説明する。

図４は、第１の具体例にかかるノズル１０Ａの先端部を示す模式斜視図である。ノズル１０Ａは螺旋形状で複数の流路壁４０を備える。すなわち、ノズル孔１１の内周面に螺旋形状で複数の流路壁４０が周方向について等間隔で形成されている。流路壁４０は、駆動流の一部または全体を旋回させる駆動流旋回手段と、駆動流により駆動流混合境界５０にまたがるような回転方向の力を与えて縦渦５２の発生および成長を促進させる駆動流縦渦生成手段とを兼ねている。また、隣接する流路壁４０の間の部分、または流路壁４０の両側に沿った所定幅の部分が駆動流を旋回させる流れ部となる。流路壁４０は矩形断面の突起で構成されておりノズル孔１１の途中から先端開口１１ａに亘って高さ（および／または幅）が０から次第に大きくなるように形成されている。各流路壁４０の螺旋の旋回方向は同一であり、図４では、下流側に向かって時計方向に旋回している。流路壁４０の本数は、ここでは４本としているがこれに限らず、例えば３本または５～１２本としてもよい。後述する流路溝４２、流路孔４４、流路壁４６も同様である。流路壁４０は、ノズル孔１１を通る駆動流のうち内周面に沿った一部を旋回させる作用がある。

ノズル１０Ａによれば、流路壁４０により駆動流のうちノズル孔１１の周面に沿った部分を旋回するように案内するため、先端開口１１ａから突出した後に駆動流混合境界５０の周辺で旋回流５３が発生する。旋回流５３は、駆動流の一部（例えば、駆動流混合境界５０の周辺部）が旋回するような流れでもよいし、駆動流全体が旋回するような流れでもよい。後述する旋回流５５も同様である。旋回流５３は縦渦５２を誘起するとともにその成長を促進させ、駆動流と吸引流とを迅速に混合させることができる。

図５は、第２の具体例にかかるノズル１０Ｂの先端部を示す模式斜視図である。ノズル１０Ｂは、ノズル孔１１の内周面に螺旋形状で複数の流路溝４２が周方向について等間隔で形成されている。流路溝４２は駆動流旋回手段および駆動流縦渦生成手段を兼ねている。流路溝４２はノズル孔１１の途中から先端開口１１ａに亘って円弧状の流路断面積が０から次第に大きくなるように形成されている。各流路溝４２の螺旋の旋回方向は同一であり、図５では、下流側に向かって時計方向に旋回している。流路溝４２は、ノズル孔１１を通る駆動流のうち内周面に沿った一部を旋回させる作用がある。

ノズル１０Ｂによれば、上記と同様の旋回流５３が発生し、縦渦５２を誘起して混合を促進させることができる。

なお、ノズル１０Ｂには流路溝４２に加えて上記の流路壁４０を設けてもよい。また、隣接する２つの流路壁４０の間の部分を流路溝４２と見做すこともでき、さらに隣接する２つの流路溝４２の間の部分を流路壁４０と見做すこともできる。つまり、流路壁４０と流路溝４２との間には本質的な差がない。

図６は、第３の具体例にかかるノズル１０Ｃの先端部を示す模式斜視図である。ノズル１０Ｃは、ノズル孔１１の筒体内部に螺旋形状で複数の流路孔４４が周方向について等間隔で形成されている。流路孔４４は駆動流旋回手段および駆動流縦渦生成手段を兼ねている。流路孔４４はノズル１０上流側端部の壁部１０ａ（図１参照）から先端開口１１ａに亘って形成されている。流路孔４４は、例えばノズル孔１１の途中の内周面から先端開口１１ａに亘って形成されていてもよい。流路孔４４の内径は先細りテーパ形状としてもよい。各流路孔４４の螺旋の旋回方向は同一であり、図６では、下流側に向かって時計方向に旋回している。流路孔４４はその延長方向が中心軸Ｌに対して近づく向きに設定されている。流路孔４４は、駆動流室１２ａから流れ込んだ駆動流の一部を旋回させる作用がある。流路孔４４は正確な曲線の螺旋状ではなく、加工を容易にするために中心軸Ｌに対して傾斜した直線状の孔としてもよい。

ノズル１０Ｃによれば、各流路孔４４から噴出した壁面噴流５４は駆動流混合境界５０に対して衝突するように流れ、しかも旋回流５３を発生させて縦渦５２を誘起するとともにその成長を促進させることができる。

図７は、第４の具体例にかかるノズル１０Ｄの先端部を示す模式斜視図である。ノズル１０Ｄは、螺旋形状で複数の流路壁４６を備える。すなわち、ノズル１０の外周面に螺旋形状で複数の流路壁４６が周方向について等間隔で形成されている。流路壁４６は、吸引流により駆動流混合境界５０にまたがるような回転方向の力を与えて縦渦５２の発生および成長を促進させる吸引流縦渦生成手段となっている。また、隣接する流路壁４６の間の部分、または流路壁４６の両側に沿った所定幅の部分が吸引流を旋回させる流れ部となる。流路壁４６は、矩形断面の突起で構成されておりノズル１０の途中から先端部に亘って高さ（および／または幅）が０から次第に大きくなるように形成されている。各流路壁４６の螺旋の旋回方向は同一であり、図７では、下流側に向かって反時計方向に旋回している。流路壁４６は、吸引流のうちノズル１０の外周面に沿って流れる部分を旋回させる作用がある。流路壁４６に代えて、あるいは流路壁４６に加えて上記の流路溝４２（図５参照）のような溝をノズル１０の外周面に設けてもよい。

ノズル１０Ｄによれば、流路壁４６により吸引流のうちノズル１０の外周面に沿った部分を旋回するように案内するため、先端部から突出した後に駆動流混合境界５０の周辺で旋回流５５が発生する。この旋回流５５は上記の旋回流５３と逆向きである。旋回流５５は縦渦５２を誘起するとともにその成長を促進させ、駆動流と吸引流とを迅速に混合させることができる。また、符号５６で示すように、流路壁４６の周囲から流れ出た吸引流は乱流となって、駆動流と吸引流との混合を促進させることができる。

図８は、第５の具体例にかかるノズル１０Ｅの先端部を示す模式斜視図である。ノズル１０Ｅでは、上記のノズル１０Ｄにおけるやや長い流路壁４６に代えて、流路壁４８が設けられている。流路壁４８は吸引流縦渦生成手段である。流路壁４８は短い直線板状であって製作が容易である。流路壁４８は短いが螺旋状である。ノズル１０Ｅはノズル１０Ｄと同様の作用がある。

図９は、第６の具体例にかかるノズル１０Ｆの先端部を示す模式斜視図である。ノズル１０Ｆは、ノズル１０Ａ（図４参照）と同様の流路壁４０がノズル孔１１の内周面に設けられるとともに、ノズル１０Ｄ（図７参照）と同様の流路壁４６がノズル１０の外周面に設けられている。各流路壁４０は下流側に向かって時計方向に旋回する向きに設けられており、各流路壁４６は下流側に向かって反時計方向に旋回する向きに設けられている。つまり、ノズル１０Ａは、駆動流縦渦生成手段および吸引流縦渦生成手段の両方を備え、これらの螺旋方向が逆向きとなっている。設計条件によっては駆動流縦渦生成手段および吸引流縦渦生成手段の螺旋方向を同方向としてもよい。

ノズル１０Ｆによれば、流路壁４０と流路壁４６との作用により、駆動流と吸引流とを一層効果的に混合することができる。特に、流路壁４０と流路壁４６とは螺旋の方向が逆向きであることから、概念的には逆向きの旋回流５３と旋回流５５とが発生するような複雑な流れとなり、縦渦５２の発生と成長とを一層促進させることができる。

このように、本実施の形態に係るエジェクタ１ではノズル１０Ａ～１０Ｆのいずれかを適用することにより、駆動流および吸引流の少なくとも一方に対して旋回する方向の流れを生じさせ、旋回流５３,５５を発生させることができ、また縦渦５２の発生と成長とを促進させることができる。したがって、駆動流と吸引流との混合が促進され混合部２３の長さを抑制することができるとともに効率が向上する。

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
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆノズル
１１ノズル孔
１１ａ先端開口
２０本体部
２１吸引通路部
２２合流部
２３混合部
２４デ_イフューザ部
３０吸引管路
４０流路壁（駆動流旋回手段、駆動流縦渦生成手段）
４２流路溝（駆動流旋回手段、駆動流縦渦生成手段）
４４流路孔（駆動流旋回手段、駆動流縦渦生成手段）
４６流路壁（吸引流縦渦生成手段）
４８流路壁（吸引流縦渦生成手段）
５０駆動流混合境界
５１横渦
５２縦渦
５３旋回流
５４壁面噴流
５５旋回流

Claims

ノズル孔を有する筒体のノズルと、
前記ノズルの周囲における吸引流の吸引通路部、および前記ノズルの先端開口の延長上における駆動流と吸引流との合流部をそれぞれ形成するように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合流部に吸引して駆動流及び吸引流を混合するエジェクタであって、
前記ノズルは、内周面または筒体内部に設けられ、前記ノズルの中心軸と垂直な平面において駆動流と吸引流との境界にまたがるような回転方向の力を与える螺旋形状で複数の駆動流縦渦生成手段、および外周面に設けられ、前記ノズルの中心軸と垂直な平面において駆動流と吸引流との境界にまたがるような回転方向の力を与える螺旋形状で複数の吸引流縦渦生成手段の両方を備え、
前記駆動流縦渦生成手段と前記吸引流縦渦生成手段とは螺旋方向が逆向きであることを特徴とするエジェクタ。
前記ノズルは、内周面または筒体内部に設けられ、駆動流の一部または全体に旋回方向の力を与える螺旋形状で複数の駆動流旋回手段を備えることを特徴とする請求項１に記載のエジェクタ。
前記駆動流縦渦生成手段は、前記ノズルの内周面に設けられた溝または突起によって形成され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。
前記駆動流縦渦生成手段は、前記ノズルを形成する筒体内部の孔によって形成され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。
前記吸引流縦渦生成手段は、前記ノズルの外周面に設けられた溝または突起によって形成されてい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。