WO2015019563A1 - エジェクタ及びそれを用いたヒートポンプ装置 - Google Patents

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ejector
nozzle
central axis
liquid
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文紀 河野
朋一郎 田村
尭宏 松浦
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • F25B2400/23—Separators

Definitions

  • the present disclosure relates to an ejector and a heat pump apparatus using the ejector.
  • the refrigeration cycle apparatus 200 described in Patent Document 1 includes a compressor 102, a condenser 103, an ejector 104, a separator 105, and an evaporator 106.
  • the ejector 104 receives the refrigerant liquid as the driving flow from the condenser 103, sucks and pressurizes the refrigerant vapor supplied from the evaporator 106, and discharges it toward the separator 105.
  • the separator 105 the refrigerant liquid and the refrigerant vapor are separated.
  • the compressor 102 sucks the refrigerant vapor whose pressure is increased by the ejector 104. Thereby, the compression work of the compressor 102 is reduced, and the COP (coefficient of performance) of the refrigeration cycle is improved.
  • the ejector 104 includes a nozzle 140, a suction port 141, a mixing unit 142, and a pressure increasing unit 143. Near the outlet of the nozzle 140, a plurality of communication ports 144 that communicate the inside and the outside of the nozzle 140 are provided. The refrigerant vapor is sucked into the ejector 104 from the suction port 141. Part of the sucked refrigerant vapor is guided into the nozzle 140 through the communication port 144.
  • the nozzle 140 of the ejector 104 has a reduced diameter portion near the outlet. In the reduced diameter portion, the flow rate of the refrigerant increases and the pressure decreases. Therefore, the refrigerant (driving flow) supplied to the nozzle 140 changes from the liquid phase to the gas-liquid two phase at the reduced diameter portion. That is, the ejector 104 shown in FIG. 11 is an ejector called a two-phase flow ejector.
  • the performance of the ejector depends on whether the momentum transport between the driving flow and the suction flow is performed efficiently.
  • the present disclosure provides a technique for improving the performance of an ejector.
  • the ejector is A first nozzle to which a liquid-phase working fluid is supplied; A second nozzle into which a gaseous working fluid is sucked; An atomization mechanism that is disposed at the tip of the first nozzle and atomizes the liquid-phase working fluid in a liquid state; A mixing unit that generates a fluid mixture by mixing the atomized working fluid generated by the atomization mechanism and the gas-phase working fluid sucked into the second nozzle; It is a thing with.
  • the momentum of the liquid-phase working fluid can be efficiently transported to the gas-phase working fluid (suction flow). Therefore, the performance of the ejector is improved.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a heat pump device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a Mollier diagram in the heat pump apparatus shown in FIG.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view of an ejector used in the heat pump apparatus shown in FIG. 3B is an enlarged cross-sectional view of the atomizing mechanism of the ejector shown in FIG. 3A.
  • 3C is a cross-sectional view taken along the line IIIC-IIIC of the atomization mechanism of the ejector shown in FIG. 3A.
  • FIG. 3D is a cross-sectional view of an atomization mechanism that employs slits instead of orifices.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a heat pump device according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a Mollier diagram in the heat pump apparatus shown in FIG.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view of an ejector used in the heat pump apparatus shown in FIG. 3B
  • FIG. 3E is a cross-sectional view of an atomization mechanism employing a plurality of orifices formed along a double ring.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the positional relationship between the jet and the collision surface.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view of an ejector according to the first modification.
  • FIG. 5B is an enlarged cross-sectional view of the atomizing mechanism of the ejector shown in FIG. 5A.
  • FIG. 5C is a cross-sectional view taken along the line VC-VC of the atomizing mechanism of the ejector shown in FIG. 5A.
  • FIG. 5D is a cross-sectional view of an atomization mechanism that employs slits instead of orifices.
  • FIG. 6 is a schematic view showing the positional relationship between the jet flow and the collision surface.
  • FIG. 7A is an enlarged cross-sectional view of an atomization mechanism according to Modification 2.
  • FIG. 7B is a cross-sectional view of the atomizing mechanism according to Modification 2 along the line VIIB-VIIB.
  • FIG. 7C is a cross-sectional view of the atomization mechanism according to Modification 2 along the line VIIC-VIIC.
  • FIG. 8A is an enlarged cross-sectional view of an atomization mechanism according to Modification 3.
  • FIG. 8B is a cross-sectional view of the atomization mechanism according to Modification 3 along the line VIIIB-VIIIB.
  • FIG. 8C is a cross-sectional view of an atomization mechanism that employs slits instead of orifices.
  • FIG. 9 is a configuration diagram of a heat pump device according to another embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 10 is a configuration diagram of a conventional refrigeration cycle apparatus.
  • FIG. 11 is a sectional view of an ejector used in the refrigeration cycle apparatus of FIG.
  • FIG. 12 is a configuration diagram of another conventional refrigeration cycle apparatus.
  • FIG. 13 is a Mollier diagram in the refrigeration cycle apparatus shown in FIG.
  • the driving flow is a gas or a two-phase flow having a large void ratio, and the suction flow is a gas
  • the momentum is efficiently transported between the driving flow and the suction flow by simply mixing the driving flow and the suction flow. Can be done.
  • the driving flow is a liquid and the suction flow is a gas
  • the speed relaxation time (the time until the speed of the driving flow and the speed of the suction flow become substantially equal) is long, so the drive flow is changed to the suction flow.
  • the momentum transport is difficult to proceed. As a result, high-efficiency driving of the ejector cannot be expected.
  • the mixing chamber of the ejector When the driving flow is liquid and the suction flow is gas, the mixing chamber of the ejector is filled with a two-phase flow.
  • the main factor of the momentum transport from the driving flow to the suction flow is the drag due to viscous resistance and the like.
  • a gas-liquid two-phase spray flow in which the dispersed phase is a droplet and the continuous phase is a gas is formed.
  • the momentum transport is governed by the droplet equation of motion. According to the equation of motion of the droplet, the larger the contact area between the droplet and the gas, the more momentum can be transported in a shorter time.
  • the ejector according to the first aspect of the present disclosure is: A first nozzle to which a liquid-phase working fluid is supplied; A second nozzle into which a gaseous working fluid is sucked; An atomization mechanism that is disposed at the tip of the first nozzle and atomizes the liquid-phase working fluid in a liquid state; A mixing unit that generates a fluid mixture by mixing the atomized working fluid generated by the atomization mechanism and the gas-phase working fluid sucked into the second nozzle; It is a thing with.
  • the liquid-phase working fluid is atomized by the atomization mechanism and supplied to the mixing unit.
  • the mist-like working fluid is mixed with the gas-phase working fluid to generate a fluid mixture.
  • This fluid mixture has the form of a fine spray stream.
  • the atomization mechanism of the ejector according to the first aspect includes: (a) an injection unit that generates a jet of the liquid-phase working fluid; and (b) a collision between the jet from the injection unit.
  • the collision surface may be inclined with respect to the traveling direction of the jet. According to the 2nd aspect, since the collision surface inclines with respect to the advancing direction of a jet, the collision surface receives the drag according to an inclination angle from a jet. That is, it is possible to suppress the loss of momentum of the liquid-phase working fluid by tilting the collision surface.
  • the jet generated by the injection unit of the ejector according to the second aspect may collide with the collision surface as a whole.
  • the positional relationship between the injection unit and the collision surface may be determined so that the jet of the ejector according to the second aspect collides with the collision surface as a whole.
  • the impact surface of the ejector according to the second aspect may have a size that overlaps with the entire projection region when the diameter of the ejection unit is projected onto the impact surface. According to the 3rd aspect, since a jet can be refined
  • the ejection part of the ejector according to the second or third aspect may include a plurality of orifices. By jetting the working fluid from the orifice, a jet having a sufficient momentum can collide with the collision surface.
  • the plurality of orifices of the ejector according to the fourth aspect may be provided around the central axis of the first nozzle and may extend in a direction parallel to the central axis.
  • the atomized working fluid can be uniformly supplied to the mixing unit. Further, by jetting the working fluid from the orifice, a jet having a sufficient momentum can collide with the collision surface. By using a plurality of orifices, a sufficient flow rate of the working fluid can be secured.
  • the plurality of orifices of the ejector according to the fourth aspect are provided around the central axis of the first nozzle and are inclined with respect to the central axis of the first nozzle, respectively.
  • a cylindrical surface that extends in a direction and surrounds the central axis of the first nozzle at a position farther from the central axis of the first nozzle than a position where the plurality of orifices are provided. It may be.
  • the plurality of orifices of the ejector according to the fourth to sixth aspects are formed along a double ring that virtually surrounds the central axis of the first nozzle. Also good. According to the seventh aspect, the flow rate of the working fluid can be sufficiently ensured. Further, the working fluid is made finer by the collision between the jet generated at the orifice near the center axis of the first nozzle and the jet generated at the orifice away from the center axis of the first nozzle.
  • the flow rate of the working fluid can be sufficiently ensured. Further, the working fluid is made finer by the collision between the jet generated at the orifice near the center axis of the first nozzle and the jet generated at the orifice away from the center axis of the first nozzle.
  • the plurality of orifices of the ejector according to the fourth to seventh aspects may have a constant cross-sectional area in the flow direction of the working fluid.
  • the working fluid is unlikely to change from the liquid phase to the gas-liquid two phase when passing through the orifice.
  • the ejection part of the ejector according to the second or third aspect may include a slit.
  • a jet having a sufficient momentum can collide with the collision surface.
  • the slit of the ejector according to the ninth aspect may be provided around the central axis of the first nozzle and may extend in a direction parallel to the central axis of the first nozzle.
  • the atomized working fluid can be supplied uniformly to a mixing part.
  • jetting the working fluid from the slit it is possible to cause a jet having a sufficient momentum to collide with the collision surface.
  • the slit of the ejector according to the ninth aspect is provided around the central axis of the first nozzle and extends in a direction inclined with respect to the central axis of the first nozzle.
  • the collision surface may be a cylindrical surface surrounding the central axis of the first nozzle at a position farther from the central axis of the first nozzle than a position where the slit is provided.
  • the atomized working fluid can be supplied uniformly to a mixing part.
  • by jetting the working fluid from the slit it is possible to cause a jet having a sufficient momentum to collide with the collision surface.
  • the slit of the ejector according to any one of the ninth to eleventh aspects is formed along a double ring that virtually surrounds the central axis of the first nozzle. May be. According to the twelfth aspect, a sufficient flow rate of the working fluid can be ensured. Further, the working fluid is made finer by the collision between the jet generated by the slit located near the center axis of the first nozzle and the jet generated by the slit located away from the center axis of the first nozzle. There is a possibility to promote.
  • the slit of the ejector according to any one of the ninth to twelfth aspects may have a constant cross-sectional area in the flow direction of the working fluid.
  • the working fluid is unlikely to change from the liquid phase to the gas-liquid two phase when passing through the slit.
  • the collision surface of the ejector according to any one of the second to thirteenth aspects is provided between the injection unit and the inner wall surface of the mixing unit, and is injected from the injection unit.
  • the jet that has collided with the collision surface may be directed toward the inner wall surface. According to the 14th aspect, it can avoid that the loss of the momentum of a jet based on a jet colliding directly with the inner wall face of a mixing part generate
  • the atomizing mechanism of the ejector according to any one of the first to fourteenth aspects may be a one-fluid type atomizing mechanism.
  • the structure of the one-fluid atomizing mechanism is simple. For this reason, the one-fluid atomizing mechanism is less expensive than the two-fluid atomizing mechanism.
  • the ejector according to any one of the first to fifteenth aspects further includes a discharge unit that discharges the fluid mixture to the outside, and the discharge unit decelerates the fluid mixture.
  • You may have a diffuser part which recovers a static pressure. In the diffuser section, the speed of the fluid mixture is reduced, thereby restoring the static pressure of the fluid mixture.
  • a heat pump device according to a seventeenth aspect of the present disclosure is provided.
  • the ejector according to any one of the first to sixteenth aspects, wherein a refrigerant mixture is generated using the refrigerant vapor compressed by the compressor and the refrigerant liquid flowing out of the heat exchanger.
  • An extractor for receiving the refrigerant mixture from the ejector and extracting the refrigerant liquid from the refrigerant mixture; A liquid path from the extractor to the ejector via the heat exchanger; An evaporator that stores the refrigerant liquid and generates the refrigerant vapor to be compressed by the compressor by evaporating the refrigerant liquid; It is a thing with.
  • the refrigerant liquid supplied to the ejector is used as a driving flow, and refrigerant vapor from the compressor is sucked into the ejector.
  • the ejector generates a refrigerant mixture using the refrigerant liquid and the refrigerant vapor. Since the work to be performed by the compressor can be reduced, the efficiency of the heat pump device equal to or higher than that of the prior art can be achieved while greatly reducing the compression ratio in the compressor. In addition, the heat pump device can be downsized.
  • the pressure of the refrigerant mixture discharged from the ejector of the heat pump device according to the seventeenth aspect is higher than the pressure of the refrigerant vapor sucked into the ejector, and the refrigerant liquid supplied to the ejector It may be lower than the pressure. According to the eighteenth aspect, the pressure of the refrigerant can be increased efficiently.
  • the refrigerant of the heat pump device may be a refrigerant having a negative saturated vapor pressure at normal temperature.
  • the ejector according to any one of the first aspect to the sixteenth aspect to atomize the liquid phase working fluid in the ejector, the liquid phase working fluid and the gas phase working fluid are separated. Increase the contact area.
  • the momentum of the liquid-phase working fluid driving flow
  • the gas-phase working fluid suction flow
  • the pressure in the ejector can be increased. Therefore, the efficiency of the heat pump apparatus can be increased even when a refrigerant having a negative saturated vapor pressure at room temperature, for example, a refrigerant mainly composed of water is used.
  • the refrigerant of the heat pump device may contain water as a main component.
  • the refrigerant in addition to any one of the seventeenth to nineteenth aspects, for example, includes water as a main component. A refrigerant whose main component is water has a small environmental load.
  • the ejector according to the twenty-first aspect of the present disclosure is: A first nozzle to which a liquid-phase working fluid is supplied; A second nozzle into which a gaseous working fluid is sucked; A mixing unit that mixes the liquid-phase working fluid supplied to the first nozzle and the gas-phase working fluid sucked into the second nozzle to generate a fluid mixture; (I) an injection unit having an orifice or a slit communicating the first nozzle and the mixing unit; (Ii) a collision surface on which the jet generated by the injection unit should collide so that the liquid-phase working fluid is atomized and supplied to the mixing unit; An atomizing mechanism disposed at a tip of the first nozzle, wherein the collision surface is inclined; It is a thing with.
  • the heat pump apparatus 200 (refrigeration cycle apparatus) of the present embodiment includes a first heat exchange unit 10, a second heat exchange unit 20, a compressor 31, and a steam path 32.
  • the first heat exchange unit 10 and the second heat exchange unit 20 form a heat dissipation side circuit and a heat absorption side circuit, respectively.
  • the refrigerant vapor generated in the second heat exchange unit 20 is supplied to the first heat exchange unit 10 via the compressor 31 and the vapor path 32.
  • the heat pump device 200 is filled with a refrigerant having a saturated vapor pressure at normal temperature (Japanese Industrial Standard: 20 ° C. ⁇ 15 ° C./JIS Z8703) having a negative pressure (absolute pressure lower than atmospheric pressure).
  • a refrigerant include a refrigerant containing water, alcohol, or ether as a main component.
  • the pressure inside the heat pump apparatus 200 is lower than atmospheric pressure.
  • the pressure at the inlet of the compressor 31 is, for example, in the range of 0.5 to 5 kPaA.
  • the pressure at the outlet of the compressor 31 is, for example, in the range of 5 to 15 kPaA.
  • a refrigerant containing water as a main component and mixed with 10 to 40% in terms of mass% in terms of mass% can be used for reasons such as freezing prevention.
  • the “main component” means a component that is contained most in mass ratio.
  • the first heat exchange unit 10 includes an ejector 11, a first extractor 12, a first pump 13, and a first heat exchanger 14.
  • the ejector 11, the first extractor 12, the first pump 13, and the first heat exchanger 14 are annularly connected in this order by pipes 15a to 15d.
  • the ejector 11 is connected to the first heat exchanger 14 by a pipe 15d and connected to the compressor 31 by a steam path 32. Refrigerant liquid flowing out from the first heat exchanger 14 is supplied to the ejector 11 as a drive flow, and refrigerant vapor compressed by the compressor 31 is supplied as a suction flow.
  • the ejector 11 generates a refrigerant mixture having a low quality (dryness) and supplies the refrigerant mixture to the first extractor 12.
  • the refrigerant mixture is a refrigerant in a liquid phase state or a gas-liquid two phase state with very low quality.
  • the first extractor 12 receives the refrigerant mixture from the ejector 11 and extracts the refrigerant liquid from the refrigerant mixture. That is, the first extractor 12 serves as a gas-liquid separator that separates the refrigerant liquid and the refrigerant vapor. From the first extractor 12, basically only the refrigerant liquid is taken out.
  • the 1st extractor 12 is formed with the pressure vessel which has heat insulation, for example. However, the structure of the first extractor 12 is not particularly limited as long as the refrigerant liquid can be extracted.
  • the pipes 15b to 15d form a liquid path 15 from the first extractor 12 via the first heat exchanger 14 to the ejector 11.
  • the first pump 13 is provided in the liquid path 15 between the liquid outlet of the first extractor 12 and the inlet of the first heat exchanger 14.
  • the first pump 13 pumps the refrigerant liquid stored in the first extractor 12 to the first heat exchanger 14.
  • the discharge pressure of the first pump 13 is lower than atmospheric pressure.
  • the first pump 13 has an effective suction head that takes into account the height from the inlet of the first pump 13 to the liquid level of the refrigerant liquid in the first extractor 12 than the required suction head (required NPSH). It is arranged at a position that will increase.
  • the first pump 13 may be disposed between the outlet of the first heat exchanger 14 and the liquid inlet of the ejector 11.
  • the first heat exchanger 14 is formed by a known heat exchanger such as a fin tube heat exchanger or a shell tube heat exchanger.
  • the heat pump device 200 is an air conditioner that cools the room, the first heat exchanger 14 is disposed outside and heats the outdoor air with the refrigerant liquid.
  • the second heat exchange unit 20 includes an evaporator 21, a pump 22 (third pump), and a second heat exchanger 23.
  • the evaporator 21 stores refrigerant liquid and generates refrigerant vapor to be compressed by the compressor 31 by evaporating the refrigerant liquid.
  • the evaporator 21, the pump 22 and the second heat exchanger 23 are connected in a ring shape by pipes 24a to 24c.
  • the evaporator 21 is formed by, for example, a pressure resistant container having heat insulation properties.
  • the pipes 24 a to 24 c form a circulation path 24 for circulating the refrigerant liquid stored in the evaporator 21 via the second heat exchanger 23.
  • the pump 22 is provided in the circulation path 24 between the liquid outlet of the evaporator 21 and the inlet of the second heat exchanger 23.
  • the refrigerant liquid stored in the evaporator 21 is pumped to the second heat exchanger 23 by the pump 22.
  • the discharge pressure of the pump 22 is lower than atmospheric pressure.
  • the pump 22 is arranged at a position where the height from the suction port of the pump 22 to the liquid level of the refrigerant liquid in the evaporator 21 is larger than the required suction head (required NPSH).
  • the second heat exchanger 23 is formed by a known heat exchanger such as a fin tube heat exchanger or a shell tube heat exchanger.
  • the heat pump device 200 is an air conditioner that cools the room
  • the second heat exchanger 23 is disposed in the room and cools the room air with the refrigerant liquid.
  • the evaporator 21 is a heat exchanger that directly evaporates the refrigerant liquid heated by circulating through the circulation path 24.
  • the refrigerant liquid stored in the evaporator 21 is in direct contact with the refrigerant liquid circulating in the circulation path 24. That is, a part of the refrigerant liquid in the evaporator 21 is heated by the second heat exchanger 23 and used as a heat source for heating the saturated refrigerant liquid.
  • the upstream end of the pipe 24 a is preferably connected to the lower part of the evaporator 21.
  • the downstream end of the pipe 24c is preferably connected to the middle part of the evaporator 21.
  • the second heat exchange unit 20 may be configured so that the refrigerant liquid stored in the evaporator 21 is not mixed with other refrigerant liquid circulating in the circulation path 24.
  • the evaporator 21 has a heat exchange structure such as a shell tube heat exchanger
  • the refrigerant liquid stored in the evaporator 21 can be heated and evaporated by the heat medium circulating in the circulation path 24. it can.
  • a heat medium for heating the refrigerant liquid stored in the evaporator 21 flows through the second heat exchanger 23.
  • the steam path 32 has an upstream portion 32a and a downstream portion 32b.
  • a compressor 32 is disposed in the steam path 32.
  • the upper portion of the evaporator 21 is connected to the suction port of the compressor 32 by an upstream portion 32 a of the steam path 32.
  • the discharge port of the compressor 32 is connected to the second nozzle 41 of the ejector 11 by the downstream portion 32 b of the steam path 32.
  • the compressor 32 is a centrifugal compressor or a positive displacement compressor.
  • a plurality of compressors may be provided in the steam path 32.
  • the compressor 32 sucks the refrigerant vapor from the evaporator 21 of the second heat exchange unit 20 through the upstream portion 32a and compresses it.
  • the compressed refrigerant vapor is supplied to the ejector 11 through the downstream portion 32b.
  • the temperature and pressure of the refrigerant are increased in the ejector 11. Since the work to be performed by the compressor 31 can be reduced, the efficiency of the heat pump device 200 equal to or higher than that of the conventional one can be achieved while greatly reducing the compression ratio in the compressor 31. In addition, the heat pump device 200 can be downsized.
  • the heat pump device 200 is not limited to an air conditioner dedicated to cooling.
  • a flow path switching unit such as a four-way valve or a three-way valve is provided so that the first heat exchanger 14 functions as an endothermic heat exchanger and the second heat exchanger 23 functions as a heat dissipation heat exchanger. Also good. In this way, an air conditioner capable of switching between cooling operation and heating operation is obtained.
  • the heat pump apparatus 200 is not limited to an air conditioner, and may be another apparatus such as a chiller or a heat storage apparatus.
  • the heating target of the first heat exchanger 14 and the cooling target of the second heat exchanger 23 may be gas or liquid other than air.
  • a return path 33 for returning the refrigerant from the first heat exchange unit 10 to the second heat exchange unit 20 may be provided.
  • the return path 33 is provided with an expansion mechanism 34 such as a capillary or an expansion valve.
  • the first extractor 12 and the evaporator 21 are connected by the return path 33 so that the refrigerant stored in the first extractor 12 can be transferred to the evaporator 21.
  • the lower part of the first extractor 12 and the lower part of the evaporator 21 are connected by a return path 33.
  • the refrigerant liquid is returned from the first extractor 12 to the evaporator 21 through the return path 33 while being decompressed in the expansion mechanism 34.
  • the return path 33 may be branched from any position of the first heat exchange unit 10.
  • the return path 33 may be branched from a pipe 15 a connecting the ejector 11 and the first extractor 12, or may be branched from the upper part of the first extractor 12.
  • the first heat exchange unit 10 may be configured to appropriately discharge excess refrigerant
  • the second heat exchange unit 20 may be configured to appropriately replenish the refrigerant.
  • FIGS. 12 and 13 are a conventional refrigeration cycle apparatus 100 having no ejector and a Mollier diagram in the refrigeration cycle apparatus 100, respectively.
  • the refrigeration cycle apparatus 100 includes an evaporator 110, a condenser 120, a first circulation path 150, and a second circulation path 160.
  • the upper part of the evaporator 110 is connected to the upper part of the condenser 120 by a first communication path 130.
  • compressors 131 and 132 are provided in the first communication path 130.
  • the lower part of the evaporator 110 is connected to the lower part of the condenser 120 by the second communication path 140.
  • FIG. 12 the refrigeration cycle apparatus 100 includes an evaporator 110, a condenser 120, a first circulation path 150, and a second circulation path 160.
  • the upper part of the evaporator 110 is connected to the upper part of the condenser 120 by a first communication path 130.
  • compressors 131 and 132 are provided in the first communication path 130.
  • the refrigerant liquid stored in the evaporator 110 evaporates inside the evaporator 110 and changes to refrigerant vapor (point a ⁇ point b).
  • the refrigerant vapor is compressed in the compressors 131 and 132 (point b ⁇ point c).
  • the compressed refrigerant vapor is cooled and condensed in the condenser 120 (point c ⁇ point d).
  • the refrigerant liquid stored in the condenser 120 is pumped to the heat exchanger by the pump (point d ⁇ point e).
  • the refrigerant liquid is cooled in the heat exchanger (point e ⁇ point f).
  • the cooled refrigerant liquid is returned to the condenser 120 (point f ⁇ point d).
  • a part of the refrigerant liquid is returned to the evaporator 110 through the second communication path 140 (point d ⁇ point a).
  • FIG. 2 is a Mollier diagram in the heat pump apparatus 200 of the present embodiment.
  • the broken line represents a part of the cycle described in FIG.
  • the refrigerant liquid stored in the evaporator 21 evaporates inside the evaporator 21 and changes into refrigerant vapor (point A ⁇ point B).
  • the refrigerant vapor is compressed in the compressor 31 (point B ⁇ point C).
  • the compressed refrigerant vapor is sucked into the ejector 11 and mixed with the refrigerant liquid flowing out from the first heat exchanger 14 (point C ⁇ point D).
  • the refrigerant mixture of the refrigerant vapor and the refrigerant liquid is heated and increased in pressure by the ejector 11 (point D ⁇ point E).
  • the refrigerant mixture is a refrigerant in a liquid phase state or a gas-liquid two phase state.
  • the state of the refrigerant at the outlet of the ejector 11 changes according to the operating conditions of the heat pump device 200.
  • the refrigerant is completely in the liquid phase at the outlet of the ejector 11, in other words, the quality of the refrigerant is zero.
  • the refrigerant mixture is sent from the ejector 11 to the first extractor 12 and separated into refrigerant liquid and refrigerant vapor.
  • the refrigerant liquid stored in the first extractor 12 is pumped to the first heat exchanger 14 by the first pump 13 (point E ⁇ point F).
  • the refrigerant liquid is cooled in the first heat exchanger 14 (point F ⁇ point G).
  • the first heat exchanger 14 cools the refrigerant liquid whose pressure has been increased by the first pump 13 to the supercooling region.
  • the cooled refrigerant liquid is supplied as a driving flow to the ejector 11 (point G ⁇ point D). A part of the refrigerant liquid may be returned to the evaporator 21 from the first extractor 12 or the pipe 15a (point E ⁇ point A).
  • the pressure of the refrigerant mixture discharged from the ejector 11 is higher than the pressure of the refrigerant vapor sucked into the ejector 11 and the pressure of the refrigerant liquid supplied to the ejector 11. Lower.
  • the pressure at the outlet of the ejector 11 is higher than the pressure at the inlet of the ejector 11 to the second nozzle 41 and is lower than the pressure at the inlet of the ejector 11 to the first nozzle 40.
  • the ejector 11 can function as a condenser.
  • the pressure at the outlet of the ejector 11 is, for example, in the range of 6 to 1000 kPaA.
  • the pressure at the inlet of the ejector 11 to the second nozzle 41 is, for example, in the range of 5 to 15 kPaA.
  • the pressure at the inlet of the ejector 11 to the first nozzle 40 is, for example, in the range of 300 to 1500 kPaA.
  • the work to be performed by the compressor 31 in the cycle of FIG. 2 is smaller than the work to be performed by the compressors 131 and 132 in the cycle of FIG. That is, according to this embodiment, the compression ratio in the compressor 31 can be reduced.
  • the pressure ratio in the compressor 31 can be reduced by about 30% by supplying the ejector 11 with a refrigerant liquid having a pressure in the range of several hundred kPa to several MPa as a driving flow.
  • a higher-temperature refrigerant liquid can be easily generated. That is, the heat pump device 200 can be used for cooling applications in a wide range of areas from a relatively warm climate to a very high outside temperature such as a desert area or a tropical area. Moreover, the following effects are acquired also when using the heat pump apparatus 200 for a heating use. That is, in order to prevent demagnetization of the permanent magnet used for the motor of the compressor 31, the temperature of the refrigerant discharged from the compressor 31 may be limited.
  • the ejector 11 can generate a higher-temperature refrigerant liquid, high-temperature heating is possible while suppressing the temperature of the refrigerant discharged from the compressor 31. Further, not only in the heating application but also in the case where the heat pump device 200 is used for a hot water supply application, it is possible to cope with a hot water supply of higher temperature.
  • the refrigerant liquid stored in the evaporator 21 is pumped to the second heat exchanger 23 by the pump 22, absorbs heat from a heat medium such as room air in the second heat exchanger 23, and then returns to the evaporator 21.
  • the refrigerant liquid in the evaporator 21 evaporates by boiling under reduced pressure, and the evaporated refrigerant vapor is sucked into the compressor 31.
  • a refrigerant having a negative saturated vapor pressure at room temperature is used.
  • the volume of the refrigerant vapor is as large as about 100,000 times the volume of the refrigerant liquid. For this reason, when refrigerant vapor enters the liquid path 15, very large pump power is required.
  • the refrigerant mixture generated by the ejector 11 is sent to the first extraction unit 12, and the first extraction unit 12 extracts the refrigerant liquid from the refrigerant mixture.
  • a first pump 13 is provided in the liquid path 15 between the liquid outlet of the first extractor 12 and the inlet of the first heat exchanger 14.
  • the refrigerant liquid extracted by the first extractor 12 is sent to the first heat exchanger 14 by the first pump 13.
  • the liquid path 15 extending from the first extractor 12 through the first heat exchanger 14 to the ejector 11 is filled with the refrigerant liquid, and the first pump 13 supplies the refrigerant liquid to the first heat exchanger. 14 and the ejector 11 can continue to be pumped. In other words, the refrigerant vapor can be prevented from entering the liquid path 15.
  • the ejector 11 desirably has not only a function of increasing the pressure of the refrigerant but also a function of condensing the refrigerant.
  • the detailed structure of the ejector 11 to be described below makes it possible to efficiently transport the momentum between the refrigerant liquid and the refrigerant vapor, thereby contributing to the improvement of the function of the ejector 11.
  • the ejector 11 includes a first nozzle 40, a second nozzle 41, a mixing unit 42, a diffuser unit 43, and an atomization mechanism 44.
  • the first nozzle 40 is a cylindrical portion arranged at the center of the ejector 11.
  • the first nozzle 40 is supplied with a refrigerant liquid (liquid working fluid) as a driving flow.
  • the second nozzle 41 is a part that forms an annular space around the first nozzle 40. Refrigerant vapor (gas-phase working fluid) is sucked into the second nozzle 41.
  • the mixing portion 42 is a cylindrical portion that communicates with both the first nozzle 40 and the second nozzle 41.
  • the atomization mechanism 44 is disposed at the tip of the first nozzle 40 so as to face the mixing unit 42.
  • the atomization mechanism 44 has a function of atomizing the refrigerant liquid in a liquid phase state.
  • the atomized refrigerant generated by the atomizing mechanism 44 and the refrigerant vapor sucked into the second nozzle 41 are mixed by the mixing unit 42 to generate a refrigerant mixture (fluid mixture).
  • the diffuser portion 43 is a cylindrical portion that communicates with the mixing portion 42 and has an opening that discharges the refrigerant mixture to the outside of the ejector 11.
  • the inner diameter of the diffuser portion 43 gradually increases from the upstream side toward the downstream side.
  • the first nozzle 40, the second nozzle 41, the mixing unit 42, the diffuser unit 43, and the atomizing mechanism 44 have a common central axis O.
  • the atomization mechanism 44 includes an injection unit 51 and a collision surface forming unit 53.
  • the injection unit 51 is a part attached to the tip of the first nozzle 40.
  • the injection unit 51 has a plurality of orifices 51h.
  • the plurality of orifices 51h penetrate the bottom of the cylindrical injection unit 51 so that the first nozzle 40 and the mixing unit 42 communicate with each other.
  • the refrigerant liquid is injected from the first nozzle 40 toward the collision surface forming portion 53. That is, the injection unit 51 can generate a jet of refrigerant liquid.
  • the collision surface forming part 53 is a part having a collision surface 56p to which the jet flow from the injection part 51 should collide.
  • the collision surface forming portion 53 includes a shaft portion 54 and a skirt portion 56.
  • the shaft part 54 is a part formed integrally with the injection part 51 and has a cylindrical shape.
  • the skirt portion 56 is a divergent portion provided at the tip portion of the shaft portion 54.
  • a collision surface 56p is formed by the skirt 56. According to such a configuration, the collision surface 56p can be disposed inside the mixing unit 42 without blocking the passage of the refrigerant vapor.
  • the collision surface 56p is inclined with respect to the jet traveling direction.
  • the jet that collided with the collision surface 56p is refined by the impact of the collision, and the direction is changed in the inclination direction of the collision surface 56p.
  • the refined refrigerant liquid and refrigerant vapor are mixed in the mixing unit 42.
  • the collision surface 56p Since the collision surface 56p is inclined with respect to the traveling direction of the jet, the collision surface 56p receives a drag according to the inclination angle from the jet. That is, it is possible to suppress the loss of momentum of the refrigerant liquid by inclining the collision surface 56p.
  • the collision surface 56p has a conical shape.
  • the plurality of orifices 51h are provided at equal intervals around the central axis O so as to surround the central axis O of the first nozzle 40.
  • Each of the plurality of orifices 51h extends in a direction parallel to the central axis O.
  • the atomized refrigerant liquid can be uniformly supplied to the mixing unit 42.
  • a jet having a sufficient momentum can collide with the collision surface 56p.
  • a sufficient flow rate of the refrigerant liquid can be secured.
  • At least one slit 51 s may be formed in the injection unit 51 of the atomization mechanism 44 instead of the orifice 51 h.
  • a plurality of slits 51s (specifically, two slits 51s) are formed in the ejection unit 51.
  • the plurality of slits 51 s are provided at equal intervals around the central axis O so as to surround the central axis O of the first nozzle 40.
  • the slit 51s has an arc shape in plan view.
  • Each of the plurality of slits 51s extends in a direction parallel to the central axis O.
  • the slit 51s also performs the same function as the orifice 51h.
  • the orifice 51h can be replaced with the slit 51s. Furthermore, the orifice 51h and the slit 51s may be mixed.
  • the description regarding the orifice also applies to the slit as long as there is no technical contradiction. Similarly, the description relating to the slit applies to the orifice as long as there is no technical contradiction.
  • the cross-sectional shape, size, number, etc. of the orifice 51h are not particularly limited.
  • the cross-sectional shape, size, and number of the orifice 51h are determined so that a sufficient amount of refrigerant liquid can pass through.
  • the cross-sectional shape of the orifice 51h perpendicular to the longitudinal direction is circular.
  • the cross-sectional area of the orifice 51h is constant in a direction parallel to the central axis O (the flow direction of the refrigerant liquid). In other words, the opening area of the orifice 51h on the upstream side in the direction parallel to the central axis O is equal to the opening area of the orifice 51h on the downstream side.
  • the cross-sectional shape of the orifice 51h is also constant in the direction parallel to the central axis O. Accordingly, it is difficult for the refrigerant liquid to change from the liquid phase to the gas-liquid two phase when passing through the orifice 51h.
  • the inner diameter of the orifice 51h (the width of the slit 51s) is, for example, 50 to 500 ⁇ m.
  • the inner diameter of the orifice 51h may be slightly enlarged or reduced from the upstream side toward the downstream side. As long as the refrigerant can be sufficiently prevented from changing into a gas-liquid two-phase when passing through the orifice 51h, the inner diameter of the orifice 51h can be regarded as being constant.
  • the plurality of orifices 51h are formed along a single ring that virtually surrounds the central axis O.
  • the slit 51s is also formed in an arc shape along a single ring that virtually surrounds the central axis O.
  • the plurality of orifices 51h (or slits 51s) may be formed along a double ring that virtually surrounds the central axis O. According to such a configuration, a sufficient flow rate of the refrigerant liquid can be ensured.
  • the refrigerant is caused by a collision between a jet (inner jet) generated at the orifice 51h located near the central axis O and a jet (outer jet) generated at the orifice 51h located away from the central axis O.
  • a jet inner jet
  • a jet outer jet
  • the collision surface 56p for the inner jet may be shared with the collision surface 56p for the outer jet.
  • a dedicated collision surface may be provided for each of the inner jet and the outer jet.
  • the plurality of orifices 51h located near the center axis O and the plurality of orifices 51h located away from the center axis O are concentrically arranged. These may be formed at positions deviating from the concentric circles.
  • the atomization mechanism 44 is a one-fluid type atomization mechanism.
  • the “one-fluid system” means a system in which a mist refrigerant liquid is generated by the pressure of the refrigerant liquid itself increased by a pump.
  • the structure of the one-fluid atomizing mechanism is simple. For this reason, the one-fluid atomizing mechanism is less expensive than the two-fluid atomizing mechanism.
  • the atomization mechanism 44 is configured so that the jet generated by the injection unit 51 does not directly collide with the inner wall surface of the mixing unit 42.
  • the central axis of the orifice 51 h is parallel to the central axis O of the first nozzle 40. Therefore, the jet flow from the injection unit 51 cannot directly collide with the inner wall surface of the mixing unit 42. Thereby, it is possible to avoid the loss of the momentum of the jet due to the jet directly colliding with the inner wall surface of the mixing unit 42.
  • the central axis of the orifice 51 h may be inclined with respect to the central axis O of the first nozzle 40. If the position and width of the collision surface 56p are appropriately adjusted, it is possible to avoid the jet from directly colliding with the inner wall surface of the mixing unit 42.
  • the positional relationship between the injection unit 51 and the collision surface 56p is determined so that the jet flow J1 from the injection unit 51 collides with the collision surface 56p as a whole. That is, in the direction perpendicular to the central axis O (radial direction of the mixing portion 42), the jet J1 is located on the inner side (near the central axis O) than the outer edge 56e of the collision surface 56p. According to such a positional relationship, the jet J1 can be efficiently miniaturized, so that the ability of the ejector 11 can be maximized. As a result, cycle efficiency can be maximized.
  • the liquid columnar refrigerant liquid (jet flow J1) injected from the injection unit 51 is in an unstable state due to Rayleigh-Taylor instability. A fine spray flow is generated by the jet J1 colliding with the collision surface 56p.
  • the traveling direction of the jet J1 is substantially parallel to the central axis O of the first nozzle 40.
  • An angle ⁇ 1 formed by the traveling direction of the jet J1 and the collision surface 56p satisfies, for example, a relationship of 0 ° ⁇ 1 ⁇ 90 °.
  • the angle ⁇ 1 is adjusted to such a range, the spray flow generated by the collision is discharged to the mixing unit 42 at a narrow angle.
  • the angle ⁇ 1 is an inclination angle of the collision surface 56p with respect to the central axis O.
  • the first nozzle 40 is connected to the first heat exchanger 14 by a pipe 15d.
  • the supercooled refrigerant liquid that has flowed out of the first heat exchanger 14 is supplied to the first nozzle 40 as a driving flow through the pipe 15d.
  • a steam path 32 is connected to the second nozzle 41.
  • the temperature of the refrigerant liquid sprayed to the mixing unit 42 through the first nozzle 40 and the atomization mechanism 44 is lowered by the first heat exchanger 14. Therefore, when the refrigerant liquid is sprayed from the atomizing mechanism 44, the pressure of the mixing unit 42 becomes lower than the pressure of the vapor path 32.
  • the pressure of the mixing unit 42 becomes a saturation pressure corresponding to the temperature of the refrigerant liquid supplied to the first nozzle 40.
  • the refrigerant vapor having a pressure equal to or lower than the atmospheric pressure is continuously sucked into the second nozzle 41 through the vapor path 32 while expanding and accelerating.
  • the refrigerant liquid sprayed while accelerating from the atomizing mechanism 44 and the refrigerant vapor ejected while expanding and accelerating from the second nozzle 41 are mixed in the mixing unit 42.
  • the produced refrigerant mixture is a refrigerant in a liquid phase state or a gas-liquid two phase state with very low quality.
  • the diffuser unit 43 recovers the static pressure by decelerating the refrigerant mixture.
  • the temperature and pressure of the refrigerant rise.
  • the ejector 61 according to the first modification includes an atomizing mechanism 64 having a structure different from the atomizing mechanism 44 of the ejector 11 described above.
  • the principle for atomizing the refrigerant liquid is common to the atomization mechanism 44 and the atomization mechanism 64.
  • the function of the ejector 61 of this modification is the same as the function of the ejector 11 described above. Except for the structure of the atomizing mechanism 64, the structure of the ejector 61 is the same as the structure of the ejector 11.
  • the ejector 61 can be suitably used in the heat pump device 200 (FIG. 1).
  • the atomizing mechanism 64 is disposed at the tip of the first nozzle 40 so as to face the mixing unit 42.
  • the atomization mechanism 64 includes an injection unit 71 and a collision surface forming unit 73.
  • the injection unit 71 is a part attached to the tip of the first nozzle 40.
  • the injection unit 71 has a plurality of orifices 71h. The plurality of orifices 71h penetrate the bottom of the cylindrical injection unit 71 so as to communicate the first nozzle 40 and the mixing unit 42. Through these orifices 71h, the refrigerant liquid is injected from the first nozzle 40 toward the collision surface forming portion 73.
  • the injection unit 71 can generate a jet of refrigerant liquid.
  • the collision surface forming part 73 is a part having a collision surface 73p to which the jet flow from the injection part 71 should collide.
  • the collision surface forming part 73 is a cylindrical part formed integrally with the injection part 71.
  • a collision surface 73 p is formed by the inner peripheral surface of the cylindrical collision surface forming portion 73.
  • the collision surface 73p is inclined with respect to the traveling direction of the jet.
  • the jet that collided with the collision surface 73p is refined by the impact of the collision, and the direction is changed in the inclination direction of the collision surface 73p.
  • the refined refrigerant liquid and refrigerant vapor are mixed in the mixing unit 42.
  • the plurality of orifices 71h are provided at equal intervals around the central axis O so as to surround the central axis O of the first nozzle 40.
  • Each of the plurality of orifices 71h extends in a direction inclined with respect to the central axis O.
  • the collision surface 73p is a cylindrical surface that surrounds the central axis O at a position farther from the central axis O than the position where the plurality of orifices 71h are provided.
  • the central axis of the collision surface forming portion 73 coincides with the central axis O of the first nozzle 40. According to such a configuration, the atomized refrigerant liquid can be uniformly supplied to the mixing unit 42.
  • the collision surface forming portion 73 has the collision surface 73p extending in a direction parallel to the central axis O, but may be extended in a direction inclined with respect to the central axis O. Good.
  • At least one slit 71 s may be formed in the injection unit 71 of the atomization mechanism 64 instead of the orifice 71 h.
  • a plurality of slits 71 s (specifically, two slits 71 s) are formed in the ejection unit 71.
  • the plurality of slits 71 s are provided at equal intervals around the central axis O so as to surround the central axis O of the first nozzle 40.
  • the slit 71s has an arc shape in plan view.
  • Each of the plurality of slits 71s extends in a direction inclined with respect to the central axis O.
  • the slit 71s also performs the same function as the orifice 71h.
  • the detailed structure of the orifice 71h and the slit 71s is the same as that of the orifice 51h and the slit 51s described above except that the orifice 71h and the slit 71s extend in a direction inclined with respect to the central axis O.
  • the atomization mechanism 64 is configured such that the jet generated by the injection unit 71 does not directly collide with the inner wall surface of the mixing unit 42.
  • the positional relationship between the injection unit 71 and the collision surface 73p is determined so that the jet J2 from the injection unit 71 collides with the collision surface 73p as a whole. That is, in the direction parallel to the central axis O, the jet flow J2 is located upstream of the downstream end 73e of the collision surface 73p. According to such a positional relationship, since the jet flow J2 can be efficiently miniaturized, the ability of the ejector 61 can be pulled out to the maximum. As a result, cycle efficiency can be maximized.
  • the liquid columnar refrigerant liquid (jet flow J2) injected from the injection unit 71 is in an unstable state due to Rayleigh-Taylor instability.
  • a fine spray flow is generated by the jet J2 colliding with the collision surface 73p.
  • the traveling direction of the jet J2 is inclined with respect to the central axis O of the first nozzle 40.
  • An angle ⁇ 2 formed by the traveling direction of the jet J2 and the collision surface 73p satisfies, for example, a relationship of 0 ° ⁇ 2 ⁇ 90 °.
  • the angle ⁇ 2 is adjusted to such a range, the spray flow is discharged to the mixing unit 42 at a narrow angle. In this case, since the spray flow does not easily collide with the inner wall surface of the mixing unit 42, a loss of momentum is less likely to occur.
  • the collision surface 73p is parallel to the central axis O of the first nozzle 40.
  • the spray flow generated on the collision surface 73p is discharged in a direction substantially parallel to the central axis O.
  • the angle formed between the collision surface 73p and the central axis O is not limited to 0 degrees.
  • the angle formed by the collision surface 73p and the central axis O is, for example, larger than 0 ° and smaller than 90 °. That is, the inner diameter of the collision surface forming portion 73 may continuously increase toward the downstream side.
  • the atomization mechanism 84 includes an injection unit 71 and a collision surface forming unit 73. These structures are as described in the first modification.
  • a slit 72 s is formed in the ejection unit 71. When viewed in plan from the first nozzle 40 side, the slit 72s is divided into a plurality of portions (two arc-shaped portions) (FIG. 7B). When viewed in plan from the mixing unit 42 side, the slit 72s has an annular shape (FIG. 7C). That is, the cross-sectional shape of the slit 72s changes in a direction parallel to the central axis O.
  • the cross-sectional shape of the slit (or orifice) of the injection unit 71 may change in a direction parallel to the central axis O. Further, the cross-sectional area of the slit (or orifice) of the ejection unit 71 may change in a direction parallel to the central axis O.
  • Such a structure can also be applied to the ejector 11 described with reference to FIGS. 3A to 3D. Furthermore, as described with reference to FIG.
  • the atomization mechanism 94 includes an injection unit 91, a collision surface formation unit 92, and a collision surface formation unit 93.
  • the ejection part 91 is a part attached to the tip part of the first nozzle 40.
  • a plurality of orifices 91h (first orifice) and a plurality of orifices 93h (second orifice) are formed.
  • the orifices 91h and 93h pass through the bottom of the cylindrical injection unit 91 so that the first nozzle 40 and the mixing unit 42 communicate with each other.
  • the refrigerant liquid is injected from the first nozzle 40 toward the collision surface forming portions 92 and 93. That is, the injection unit 91 can generate a jet of refrigerant liquid.
  • the plurality of orifices 91h are formed at positions relatively far from the central axis O of the first nozzle 40.
  • the other plurality of orifices 93h are formed at positions relatively close to the central axis O.
  • the orifices 91h and 93h are formed along a double ring that virtually surrounds the central axis O. According to such a configuration, a sufficient flow rate of the refrigerant liquid can be ensured.
  • Such a configuration can also be employed in the atomization mechanisms 44, 64, and 84 described above.
  • the atomization mechanism 94 of this modification is provided with a plurality of collision surface forming portions 92 and 93.
  • the collision surface forming portions 92 and 93 are provided at a position relatively far from the center axis O and a position relatively near from the center axis O, respectively.
  • the collision surface forming portions 92 and 93 are both cylindrical portions formed integrally with the injection portion 91.
  • the collision surface forming portion 92 corresponds to a plurality of orifices 91h formed at positions far from the central axis O. That is, the collision surface forming portion 92 is an outer portion having a collision surface 92p to which the jets from the plurality of orifices 91h should collide.
  • a collision surface 92p is formed by the inner peripheral surface of the cylindrical collision surface forming portion 92.
  • the collision surface forming portion 93 corresponds to a plurality of orifices 93 h formed at positions close to the central axis O. That is, the collision surface forming portion 93 is an inner portion having a collision surface 93p to which the jets from the plurality of orifices 93h should collide.
  • a collision surface 93 p is formed by the inner peripheral surface of the cylindrical collision surface forming portion 93. Each of the collision surfaces 92p and 93p is inclined with respect to the traveling direction of the jet.
  • the jet that collided with the collision surface 92p is refined by the impact of the collision, and the direction is changed in the inclination direction of the collision surface 92p.
  • the jet that collided with the collision surface 93p is refined by the impact of the collision, and the direction is changed in the inclination direction of the collision surface 93p.
  • the refined refrigerant liquid and refrigerant vapor are mixed in the mixing unit 42.
  • the inclination direction of the orifice 91h may be determined so that the jet flow from the orifice 91h collides with the outer peripheral surface of the collision surface forming portion 93. In this case, the outer collision surface forming portion 92 can be omitted.
  • the orifices 91h and 93h each extend in a direction inclined with respect to the central axis O.
  • the collision surfaces 92p and 93p are parallel to the central axis O of the first nozzle 40, respectively. That is, the configuration of the present modification is the same as the configuration of Modification 1 except that a collision surface forming portion 93 and a plurality of orifices 93h are added. Therefore, also in this modification, the same effect as modification 1 is acquired.
  • the atomization mechanism 94 is configured such that the jet generated by the injection unit 71 does not directly collide with the inner wall surface of the mixing unit 42. Specifically, as described with reference to FIG. 6, the positional relationship between the injection unit 91 and the collision surface 92p or the injection so that the jet flow from the injection unit 91 collides with the collision surface 92p or 93p as a whole. The positional relationship between the portion 91 and the collision surface 93p is determined.
  • a slit 91s can be employed instead of the orifice 91h.
  • a slit 93s can be employed.
  • the slit 93s may have an arc shape in plan view.
  • the ejector described in this specification can also be used for a heat pump apparatus using a fluorine refrigerant such as R410A or a natural refrigerant such as carbon dioxide.
  • the heat pump apparatus 300 of this embodiment includes a compressor 302, a radiator 303 (condenser), an ejector 11 (or 61), a gas-liquid separator 305, an expansion valve 306, and an evaporator 307. ing. These components are connected to each other by flow paths 30 a to 30 f so as to form the refrigerant circuit 30.
  • the flow paths 30a to 30f are typically constituted by refrigerant pipes.
  • the refrigerant circuit 30 is filled with a refrigerant such as hydrofluorocarbon or carbon dioxide as a working fluid.
  • a refrigerant such as hydrofluorocarbon or carbon dioxide
  • Other components such as an accumulator may be provided in the flow paths 30a to 30f.
  • the expansion valve 306 may be omitted.
  • the flow path 30 a connects the compressor 2 and the radiator 303 so that the refrigerant compressed by the compressor 302 is supplied to the radiator 303.
  • the flow path 30 b connects the radiator 303 and the ejector 11 so that the refrigerant flowing out from the radiator 303 is supplied to the ejector 11.
  • the flow path 30c connects the ejector 11 and the gas-liquid separator 305 so that the refrigerant discharged from the ejector 11 is supplied to the gas-liquid separator 305.
  • the flow path 30 d connects the gas-liquid separator 305 and the compressor 302 so that the refrigerant vapor separated by the gas-liquid separator 305 is supplied to the compressor 302.
  • the flow path 30 e connects the gas-liquid separator 305 and the evaporator 307 so that the refrigerant liquid separated by the gas-liquid separator 305 is supplied to the evaporator 307.
  • the flow path 30 f connects the evaporator 307 and the ejector 11 so that the refrigerant vapor flowing out of the evaporator 307 is supplied to the ejector 11.
  • the suction pressure of the compressor 302 can be increased to an intermediate pressure. As a result, the load on the compressor 302 is reduced and the COP of the heat pump apparatus 300 is improved.
  • the ejector and heat pump device disclosed in this specification are particularly useful for air conditioners such as home air conditioners and commercial air conditioners.

Abstract

エジェクタは、第１ノズル、第２ノズル、霧化機構及び混合部を備えている。第１ノズルには、駆動流としての液相の作動流体が供給される。第２ノズルには、気相の作動流体が吸い込まれる。霧化機構は、第１ノズルの先端部に配置され、液相の作動流体を液相状態のまま霧化させる。混合部は、霧化機構で生成された霧状の作動流体と第２ノズルに吸い込まれた気相の作動流体とを混合して流体混合物を生成する。

Description

エジェクタ及びそれを用いたヒートポンプ装置
　本開示は、エジェクタ及びそれを用いたヒートポンプ装置に関する。
　エジェクタは、真空ポンプ、冷凍サイクル装置などの様々な機器の減圧手段として使用されている。図１０に示すように、特許文献１に記載された冷凍サイクル装置２００は、圧縮機１０２、凝縮器１０３、エジェクタ１０４、セパレータ１０５及び蒸発器１０６を備えている。エジェクタ１０４は、駆動流としての冷媒液を凝縮器１０３から受け取り、蒸発器１０６から供給された冷媒蒸気を吸入及び昇圧させてセパレータ１０５に向けて吐出する。セパレータ１０５において冷媒液と冷媒蒸気とが分離される。圧縮機１０２は、エジェクタ１０４によって昇圧された冷媒蒸気を吸入する。これにより、圧縮機１０２の圧縮仕事が低減し、冷凍サイクルのＣＯＰ（coefficient　of　performance）が向上する。
　図１１に示すように、エジェクタ１０４は、ノズル１４０、吸引口１４１、混合部１４２及び昇圧部１４３を有する。ノズル１４０の出口の近くには、ノズル１４０の内部と外部とを連通する複数の連通口１４４が設けられている。冷媒蒸気は、吸引口１４１からエジェクタ１０４に吸い込まれる。吸い込まれた冷媒蒸気の一部が連通口１４４を通じてノズル１４０の内部に導かれる。
　また、エジェクタ１０４のノズル１４０は、出口の近くに縮径部を有する。縮径部において冷媒の流速が上がり、圧力が下がる。従って、ノズル１４０に供給された冷媒（駆動流）は、縮径部において液相から気液二相へと変化する。つまり、図１１に示すエジェクタ１０４は、二相流エジェクタと呼ばれるエジェクタである。
特許第３１５８６５６号公報 特開２００８－１２２０１２号公報
　エジェクタの性能は、駆動流と吸引流との間の運動量の輸送が効率的に行われるかどうかに依存する。本開示は、エジェクタの性能を向上させるための技術を提供する。
　すなわち、本開示にかかるエジェクタは、
　液相の作動流体が供給される第１ノズルと、
　気相の作動流体が吸い込まれる第２ノズルと、
　前記第１ノズルの先端部に配置され、前記液相の作動流体を液相状態のまま霧化させる霧化機構と、
　前記霧化機構で生成された霧状の作動流体と前記第２ノズルに吸い込まれた前記気相の作動流体とを混合して流体混合物を生成する混合部と、
　を備えた、ものである。
　上記の技術によれば、液相の作動流体（駆動流）の運動量が効率的に気相の作動流体（吸引流）に輸送されうる。従って、エジェクタの性能が向上する。
図１は、本開示の一実施形態に係るヒートポンプ装置の構成図である。 図２は、図１に示すヒートポンプ装置におけるモリエル線図である。 図３Ａは、図１に示すヒートポンプ装置に使用されたエジェクタの断面図である。 図３Ｂは、図３Ａに示すエジェクタの霧化機構の拡大断面図である。 図３Ｃは、図３Ａに示すエジェクタの霧化機構のIIIC-IIIC線に沿った断面図である。 図３Ｄは、オリフィスに代えてスリットを採用した霧化機構の断面図である。 図３Ｅは、二重の円環に沿って形成された複数のオリフィスを採用した霧化機構の断面図である。 図４は、噴流と衝突面との位置関係を示す概略図である。 図５Ａは、変形例１に係るエジェクタの断面図である。 図５Ｂは、図５Ａに示すエジェクタの霧化機構の拡大断面図である。 図５Ｃは、図５Ａに示すエジェクタの霧化機構のVC-VC線に沿った断面図である。 図５Ｄは、オリフィスに代えてスリットを採用した霧化機構の断面図である。 図６は、噴流と衝突面との位置関係を示す概略図である。 図７Ａは、変形例２に係る霧化機構の拡大断面図である。 図７Ｂは、変形例２に係る霧化機構のVIIB-VIIB線に沿った断面図である。 図７Ｃは、変形例２に係る霧化機構のVIIC-VIIC線に沿った断面図である。 図８Ａは、変形例３に係る霧化機構の拡大断面図である。 図８Ｂは、変形例３に係る霧化機構のVIIIB-VIIIB線に沿った断面図である。 図８Ｃは、オリフィスに代えてスリットを採用した霧化機構の断面図である。 図９は、本開示の他の実施形態に係るヒートポンプ装置の構成図である。 図１０は、従来の冷凍サイクル装置の構成図である。 図１１は、図１０の冷凍サイクル装置に使用されたエジェクタの断面図である。 図１２は、従来の別の冷凍サイクル装置の構成図である。 図１３は、図１２に示す冷凍サイクル装置におけるモリエル線図である。
　（本開示の基礎となった知見）
　駆動流が気体又は大きいボイド率を有する二相流であり、吸引流が気体である場合、駆動流と吸引流とを混合させるだけで駆動流と吸引流との間で運動量が効率的に輸送されうる。しかし、駆動流が液体であり、吸引流が気体である場合、速度の緩和時間（駆動流の速度と吸引流の速度とが概ね等しくなるまでの時間）が大きいため、駆動流から吸引流への運動量の輸送が進行しにくい。その結果、エジェクタの高効率な駆動を期待できない。
　駆動流が液体であり、吸引流が気体である場合、エジェクタの混合室は二相流で満たされる。駆動流から吸引流への運動量の輸送の主要因は、粘性抵抗などに起因する抗力である。気体で満たされた混合室に液体を噴射すると、分散相が液滴、連続相が気体の気液二相の噴霧流が形成される。分散相と連続相とが相対速度を有する二相流において、運動量の輸送は、液滴の運動方程式に支配される。液滴の運動方程式によれば、液滴と気体との間の接触面積が大きければ大きいほど、運動量の輸送が短時間で進行しうる。すなわち、エジェクタの内壁面への液滴の付着、二相流の圧力損失などを考慮すると、液滴の合計の表面積が大きければ大きいほど（個々の液滴の直径が小さければ小さいほど）、運動量の輸送が効率的に進行しうる。
　上記の知見に基づき、本発明者らは、駆動流を積極的に霧化させることによって、混合室に微細噴霧流を供給することに着目した。
すなわち、本開示の第１態様にかかるエジェクタは、
液相の作動流体が供給される第１ノズルと、
気相の作動流体が吸い込まれる第２ノズルと、
前記第１ノズルの先端部に配置され、前記液相の作動流体を液相状態のまま霧化させる霧化機構と、
前記霧化機構で生成された霧状の作動流体と前記第２ノズルに吸い込まれた前記気相の作動流体とを混合して流体混合物を生成する混合部と、
を備えた、ものである。
　第１態様によれば、液相の作動流体が霧化機構によって霧化され、混合部に供給される。混合部において、霧状の作動流体が気相の作動流体に混合され、流体混合物が生成される。この流体混合物は、微細噴霧流の形態を有する。液相の作動流体を霧化することによって、液相の作動流体と気相の作動流体との間の接触面積が増加する。従って、第１態様のエジェクタでは、液相の作動流体（駆動流）の運動量が効率的に気相の作動流体（吸引流）に輸送され、圧力が上昇しうる。すなわち、本開示によれば、優れた性能を有するエジェクタを提供できる。
　第２態様において、例えば、第１態様にかかるエジェクタの前記霧化機構は、（ａ）前記液相の作動流体の噴流を生成する噴射部と、（ｂ）前記噴射部からの前記噴流を衝突させる衝突面とを含み、前記噴流の進行方向に対して前記衝突面が傾斜していてもよい。第２態様によれば、噴流の進行方向に対して衝突面が傾斜しているので、衝突面は傾斜角度に応じた抗力を噴流から受ける。つまり、衝突面を傾斜させることによって、液相の作動流体の運動量の損失の発生を抑制することができる。
　第３態様において、例えば、第２態様にかかるエジェクタの前記噴射部により生成された前記噴流は、前記衝突面と全体的に衝突してもよい。換言すると、第２態様にかかるエジェクタの前記噴流が全体的に前記衝突面に衝突するように、前記噴射部と前記衝突面との位置関係が定められていてもよい。換言すると、第２態様にかかるエジェクタの前記衝突面は、前記衝突面に前記噴射部の径を投影した場合の投影領域全体と重畳する大きさを有していてもよい。第３態様によれば、噴流を効率的に微細化することができるので、エジェクタの能力を最大限に引き出せる。
　第４態様において、例えば、第２又は第３態様にかかるエジェクタの前記噴射部は、複数のオリフィスを含んでいてもよい。オリフィスから作動流体を噴射させることによって、十分な運動量を持った噴流を衝突面に衝突させることができる。
　第５態様において、例えば、第４態様にかかるエジェクタの前記複数のオリフィスは、前記第１ノズルの中心軸の周囲に設けられ、且つ、それぞれ、前記中心軸と平行な方向に延びていてもよい。第５態様によれば、霧化した作動流体を混合部に均一に供給できる。また、オリフィスから作動流体を噴射させることによって、十分な運動量を持った噴流を衝突面に衝突させることができる。複数のオリフィスを使用することによって、作動流体の流量を十分に確保できる。
　第６態様において、例えば、第４態様にかかるエジェクタの前記複数のオリフィスは、前記第１ノズルの中心軸の周囲に設けられ、且つ、それぞれ、前記第１ノズルの前記中心軸に対して傾いた方向に延びており、前記衝突面は、前記複数のオリフィスが設けられた位置よりも前記第１ノズルの前記中心軸から離れた位置で前記第１ノズルの前記中心軸を包囲している円筒面であってもよい。
　第７態様において、例えば、第４態様～第６態様にかかるエジェクタの前記複数のオリフィスは、前記第１ノズルの中心軸をそれぞれ仮想的に包囲する二重の円環に沿って形成されていてもよい。第７態様によれば、作動流体の流量を十分に確保できる。また、第１ノズルの中心軸の近くの位置にあるオリフィスで生成された噴流と、第１ノズルの中心軸から離れた位置にあるオリフィスで生成された噴流との衝突によって作動流体の微細化を促進できる可能性がある
　第８態様において、例えば、第４態様～第７態様にかかるエジェクタの前記複数のオリフィスは、それぞれの断面積が前記作動流体の流れ方向において一定であってもよい。第８態様によれば、オリフィスを通過する際に作動流体が液相から気液二相に変化しにくい。
　第９態様において、例えば、第２又は第３態様にかかるエジェクタの前記噴射部は、スリットを含んでいてもよい。スリットから作動流体を噴射させることによって、十分な運動量を持った噴流を衝突面に衝突させることができる。
　第１０態様において、例えば、第９態様にかかるエジェクタの前記スリットは、前記第１ノズルの中心軸の周囲に設けられ、且つ、前記第１ノズルの前記中心軸と平行な方向に延びていてもよい。第１０態様によれば、霧化した作動流体を混合部に均一に供給できる。また、スリットから作動流体を噴射させることによって、十分な運動量を持った噴流を衝突面に衝突させることができる。
　第１１態様において、例えば、第９態様にかかるエジェクタの前記スリットは、前記第１ノズルの中心軸の周囲に設けられ、且つ、前記第１ノズルの前記中心軸に対して傾いた方向に延びており、前記衝突面は、前記スリットが設けられた位置よりも前記第１ノズルの前記中心軸から離れた位置で前記第１ノズルの前記中心軸を包囲している円筒面であってもよい。第１１態様によれば、霧化した作動流体を混合部に均一に供給できる。また、スリットから作動流体を噴射させることによって、十分な運動量を持った噴流を衝突面に衝突させることができる。
　第１２態様において、例えば、第９態様～第１１態様のいずれか１つにかかるエジェクタの前記スリットは、前記第１ノズルの中心軸をそれぞれ仮想的に包囲する二重の円環に沿って形成されていてもよい。第１２態様によれば、作動流体の流量を十分に確保できる。また、第１ノズルの中心軸の近くの位置にあるスリットで生成された噴流と、第１ノズルの中心軸から離れた位置にあるスリットで生成された噴流との衝突によって作動流体の微細化を促進できる可能性がある。
　第１３態様において、例えば、第９態様～第１２態様のいずれか１つにかかるエジェクタの前記スリットは、断面積が前記作動流体の流れ方向において一定であってもよい。第１３態様によれば、スリットを通過する際に作動流体が液相から気液二相に変化しにくい。
　第１４態様において、例えば、第２態様～第１３態様のいずれか１つにかかるエジェクタの前記衝突面は前記噴射部と前記混合部の内壁面との間に設けられ、前記噴射部から噴射され前記衝突面に衝突した噴流を前記内壁面に向けてもよい。第１４態様によれば、噴流が混合部の内壁面に直接衝突することに基づく噴流の運動量の損失が発生することを回避できる。
　第１５態様において、例えば、第１態様～第１４態様のいずれか１つにかかるエジェクタの前記霧化機構は、１流体方式の霧化機構であってもよい。１流体方式の霧化機構の構造は簡潔である。そのため、１流体方式の霧化機構は、２流体方式の霧化機構よりも低コストである。
　第１６態様において、例えば、第１態様～第１５態様のいずれか１つにかかるエジェクタの前記流体混合物を外部に吐出させる吐出部をさらに備え、前記吐出部は、前記流体混合物を減速することによって静圧を回復させるディフューザ部を有していてもよい。ディフューザ部において、流体混合物の速度が減らされ、これにより、流体混合物の静圧が回復する。
　本開示の第１７態様にかかるヒートポンプ装置は、
冷媒蒸気を圧縮する圧縮機と、
冷媒液が流れる熱交換器と、
前記圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気と、前記熱交換器から流出した前記冷媒液とを用いて冷媒混合物を生成する、第１態様～第１６態様のいずれか１つに記載のエジェクタと、
前記エジェクタから前記冷媒混合物を受け取り、前記冷媒混合物から前記冷媒液を抽出する抽出器と、
前記抽出器から前記熱交換器を経由して前記エジェクタに至る液経路と、
前記冷媒液を貯留し、前記冷媒液を蒸発させることによって前記圧縮機で圧縮されるべき前記冷媒蒸気を生成する蒸発器と、
を備えた、ものである。
　第１７態様によれば、エジェクタに供給された冷媒液を駆動流として利用し、圧縮機からの冷媒蒸気をエジェクタに吸入させる。エジェクタは、冷媒液と冷媒蒸気とを用いて冷媒混合物を生成する。圧縮機が担うべき仕事を減らせるので、圧縮機での圧縮比を大幅に削減しつつ、従来と比較して同等又はそれ以上のヒートポンプ装置の効率を達成できる。また、ヒートポンプ装置を小型化することも可能となる。
　第１８態様において、例えば、第１７態様にかかるヒートポンプ装置の前記エジェクタから吐出された前記冷媒混合物の圧力は、前記エジェクタに吸い込まれる前記冷媒蒸気の圧力より高く、前記エジェクタに供給される前記冷媒液の圧力より低くてもよい。第１８態様によれば、冷媒の圧力を効率的に上げることができる。
　第１９態様において、例えば、第１７又は第１８態様にかかるヒートポンプ装置の前記冷媒は、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒であってもよい。上記第１態様～第１６態様のいずれか１のエジェクタを用いることで、前記エジェクタの中で液相の作動流体を霧化することによって、液相の作動流体と気相の作動流体との間の接触面積を増加させる。これにより、液相の作動流体（駆動流）の運動量が効率的に気相の作動流体（吸引流）に輸送され、前記エジェクタの中の圧力が上昇しうる。そのため、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒、例えば、水を主成分とする冷媒を用いる場合であっても、ヒートポンプ装置の効率を上げることができる。
　第２０態様において、例えば、第１７態様～第１９態様のいずれか１つにかかるヒートポンプ装置の前記冷媒は、主成分として水を含んでいてもよい。本開示の第２０態様は、第１７～第１９態様のいずれか１つに加え、例えば、前記冷媒は、主成分として水を含む。主成分が水の冷媒は、環境に対する負荷が小さい。
　本開示の第２１態様にかかるエジェクタは、
液相の作動流体が供給される第１ノズルと、
気相の作動流体が吸い込まれる第２ノズルと、
前記第１ノズルに供給された前記液相の作動流体と前記第２ノズルに吸い込まれた前記気相の作動流体とを混合して流体混合物を生成する混合部と、
（i）前記第１ノズルと前記混合部とを連通しているオリフィス又はスリットを有する噴射部と、
（ii）前記液相の作動流体が霧化されて前記混合部に供給されるように前記噴射部で生成された噴流を衝突させるべき衝突面とを有し、前記噴流の進行方向に対して前記衝突面が傾斜している、前記第１ノズルの先端部に配置された霧化機構と、
を備えた、ものである。
　第２１態様によれば、第１態様及び第２態様と同じ効果が得られる。
　以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本開示は以下の実施形態に限定されない。
　図１に示すように、本実施形態のヒートポンプ装置２００（冷凍サイクル装置）は、第１熱交換ユニット１０、第２熱交換ユニット２０、圧縮機３１及び蒸気経路３２を備えている。第１熱交換ユニット１０及び第２熱交換ユニット２０は、それぞれ、放熱側回路及び吸熱側回路を形成している。第２熱交換ユニット２０で生成された冷媒蒸気が圧縮機３１及び蒸気経路３２を経由して第１熱交換ユニット１０に供給される。
　ヒートポンプ装置２００には、常温（日本工業規格：２０℃±１５℃／JIS　Z8703）での飽和蒸気圧が負圧（絶対圧で大気圧よりも低い圧力）の冷媒が充填されている。そのような冷媒としては、水、アルコール又はエーテルを主成分として含む冷媒が挙げられる。ヒートポンプ装置２００の運転時において、ヒートポンプ装置２００の内部の圧力は大気圧よりも低い。圧縮機３１の入口の圧力は、例えば、０．５～５ｋＰａＡの範囲にある。圧縮機３１の出口の圧力は、例えば、５～１５ｋＰａＡの範囲にある。冷媒として、凍結防止などの理由から、水を主成分として含み、エチレングリコール、ナイブライン、無機塩類などが質量％に換算して１０～４０％混合された冷媒を用いることもできる。「主成分」とは、質量比で最も多く含まれた成分を意味する。
　第１熱交換ユニット１０は、エジェクタ１１、第１抽出器１２、第１ポンプ１３及び第１熱交換器１４を備えている。エジェクタ１１、第１抽出器１２、第１ポンプ１３及び第１熱交換器１４が配管１５ａ～１５ｄによってこの順番で環状に接続されている。
　エジェクタ１１は、配管１５ｄによって第１熱交換器１４に接続され、蒸気経路３２によって圧縮機３１に接続されている。エジェクタ１１には、第１熱交換器１４から流出した冷媒液が駆動流として供給され、圧縮機３１で圧縮された冷媒蒸気が吸引流として供給される。エジェクタ１１は、クオリティ（乾き度）の小さい冷媒混合物を生成し、第１抽出器１２に供給する。冷媒混合物は、液相状態又はクオリティの非常に小さい気液二相状態の冷媒である。
　第１抽出器１２は、エジェクタ１１から冷媒混合物を受け取り、冷媒混合物から冷媒液を抽出する。つまり、第１抽出器１２は、冷媒液と冷媒蒸気とを分離する気液分離器としての役割を担っている。第１抽出器１２からは基本的に冷媒液のみが取り出される。第１抽出器１２は、例えば、断熱性を有する耐圧容器によって形成されている。ただし、冷媒液を抽出できる限り、第１抽出器１２の構造は特に限定されない。配管１５ｂ～１５ｄは、第１抽出器１２から第１熱交換器１４を経由してエジェクタ１１に至る液経路１５を形成している。第１ポンプ１３は、第１抽出器１２の液出口と第１熱交換器１４の入口との間において液経路１５に設けられている。第１ポンプ１３によって、第１抽出器１２に貯留された冷媒液が第１熱交換器１４に圧送される。第１ポンプ１３の吐出圧力は大気圧よりも低い。第１ポンプ１３は、当該第１ポンプ１３の吸入口から第１抽出器１２の中の冷媒液の液面までの高さを考慮に入れた有効吸込ヘッドが必要吸込ヘッド（required　NPSH）よりも大きくなるような位置に配置されている。第１ポンプ１３は、第１熱交換器１４の出口とエジェクタ１１の液入口との間に配置されていてもよい。
　第１熱交換器１４は、フィンチューブ熱交換器、シェルチューブ熱交換器などの公知の熱交換器によって形成されている。ヒートポンプ装置２００が室内の冷房を行う空気調和装置である場合、第１熱交換器１４は室外に配置され、室外の空気を冷媒液によって加熱する。
　第２熱交換ユニット２０は、蒸発器２１、ポンプ２２（第３ポンプ）及び第２熱交換器２３を有する。蒸発器２１は、冷媒液を貯留し、冷媒液を蒸発させることによって圧縮機３１で圧縮されるべき冷媒蒸気を生成する。蒸発器２１、ポンプ２２及び第２熱交換器２３が配管２４ａ～２４ｃによって環状に接続されている。蒸発器２１は、例えば、断熱性を有する耐圧容器によって形成されている。配管２４ａ～２４ｃは、蒸発器２１に貯留された冷媒液を第２熱交換器２３を経由して循環させる循環路２４を形成している。ポンプ２２は、蒸発器２１の液出口と第２熱交換器２３の入口との間において循環路２４に設けられている。ポンプ２２によって、蒸発器２１に貯留された冷媒液が第２熱交換器２３に圧送される。ポンプ２２の吐出圧力は大気圧よりも低い。ポンプ２２は、当該ポンプ２２の吸入口から蒸発器２１の中の冷媒液の液面までの高さが必要吸込ヘッド（required　NPSH）よりも大きくなるような位置に配置されている。
　第２熱交換器２３は、フィンチューブ熱交換器、シェルチューブ熱交換器などの公知の熱交換器によって形成されている。ヒートポンプ装置２００が室内の冷房を行う空気調和装置である場合、第２熱交換器２３は室内に配置され、室内の空気を冷媒液によって冷却する。
　本実施形態において、蒸発器２１は、循環路２４を循環することによって加熱された冷媒液を内部で直接的に蒸発させる熱交換器である。蒸発器２１に貯留された冷媒液は、循環路２４を循環する冷媒液に直接接触する。つまり、蒸発器２１の中の冷媒液の一部が第２熱交換器２３で加熱されて、飽和状態の冷媒液を加熱する熱源として使用される。配管２４ａの上流端は、蒸発器２１の下部に接続されていることが望ましい。配管２４ｃの下流端は、蒸発器２１の中間部に接続されていることが望ましい。なお、第２熱交換ユニット２０は、蒸発器２１に貯留された冷媒液が循環路２４を循環する他の冷媒液と混ざらないように構成されていてもよい。例えば、蒸発器２１がシェルチューブ熱交換器のような熱交換構造を有している場合、循環路２４を循環する熱媒体によって蒸発器２１に貯留された冷媒液を加熱し、蒸発させることができる。第２熱交換器２３には、蒸発器２１に貯留された冷媒液を加熱するための熱媒体が流れる。
　蒸気経路３２は、上流部分３２ａ及び下流部分３２ｂを有する。蒸気経路３２には、圧縮機３２が配置されている。蒸気経路３２の上流部分３２ａによって蒸発器２１の上部が圧縮機３２の吸入口に接続されている。蒸気経路３２の下流部分３２ｂによって圧縮機３２の吐出口がエジェクタ１１の第２ノズル４１に接続されている。圧縮機３２は、遠心式圧縮機又は容積式圧縮機である。蒸気経路３２には、複数の圧縮機が設けられていてもよい。圧縮機３２は、上流部分３２ａを通じて第２熱交換ユニット２０の蒸発器２１から冷媒蒸気を吸い込み、圧縮する。圧縮された冷媒蒸気は、下流部分３２ｂを通じてエジェクタ１１に供給される。
　本実施形態によれば、エジェクタ１１において冷媒の温度及び圧力が上げられる。圧縮機３１が担うべき仕事を減らせるので、圧縮機３１での圧縮比を大幅に削減しつつ、従来と比較して同等又はそれ以上のヒートポンプ装置２００の効率を達成できる。また、ヒートポンプ装置２００を小型化することも可能となる。
　ヒートポンプ装置２００は、冷房専用の空気調和装置に限定されない。第１熱交換器１４が吸熱用熱交換器として機能し、第２熱交換器２３が放熱用熱交換器として機能するように、四方弁、三方弁などの流路切替部が設けられていてもよい。このようにすれば、冷房運転と暖房運転とを切り替え可能な空気調和装置が得られる。また、ヒートポンプ装置２００は、空気調和装置に限定されず、チラー、蓄熱装置などの他の装置であってもよい。第１熱交換器１４の加熱対象及び第２熱交換器２３の冷却対象は、空気以外の気体又は液体であってもよい。
　また、第１熱交換ユニット１０から第２熱交換ユニット２０に冷媒を戻すための戻し経路３３が設けられていてもよい。戻し経路３３には、キャピラリ、膨張弁などの膨張機構３４が設けられている。本実施形態では、第１抽出器１２に貯留された冷媒を蒸発器２１に転送できるように、戻し経路３３によって第１抽出器１２と蒸発器２１とが接続されている。典型的には、第１抽出器１２の下部と蒸発器２１の下部とが戻し経路３３によって接続される。冷媒液は、膨張機構３４において減圧されながら、戻し経路３３を通って第１抽出器１２から蒸発器２１に戻される。
　なお、戻し経路３３は、第１熱交換ユニット１０のどの位置から分岐していてもよい。例えば、戻し経路３３は、エジェクタ１１と第１抽出器１２とを接続している配管１５ａから分岐していてもよいし、第１抽出器１２の上部から分岐していてもよい。さらに、第１熱交換ユニット１０から第２熱交換ユニット２０に冷媒を戻すことは必須ではない。例えば、第１熱交換ユニット１０は、余分な冷媒を適宜排出できるように構成されていてもよく、第２熱交換ユニット２０は、冷媒を適宜補充できるように構成されていてもよい。
　次に、ヒートポンプ装置２００の運転について説明する。
　図１２及び図１３は、それぞれ、エジェクタを有さない従来の冷凍サイクル装置１００及びその冷凍サイクル装置１００におけるモリエル線図である。図１２に示すように、冷凍サイクル装置１００は、蒸発器１１０、凝縮器１２０、第１循環路１５０及び第２循環路１６０を備えている。蒸発器１１０の上部は、第１連通路１３０によって凝縮器１２０の上部に接続されている。第１連通路１３０には、圧縮機１３１及び１３２が設けられている。蒸発器１１０の下部は、第２連通路１４０によって凝縮器１２０の下部に接続されている。図１３に示すように、蒸発器１１０に貯留された冷媒液は、蒸発器１１０の内部で蒸発して冷媒蒸気に変化する（点ａ→点ｂ）。冷媒蒸気は、圧縮機１３１及び１３２において圧縮される（点ｂ→点ｃ）。簡略のため、圧縮機１３１と圧縮機１３２との間に設けられた中間冷却器を無視する。圧縮された冷媒蒸気は、凝縮器１２０において冷却されて凝縮する（点ｃ→点ｄ）。凝縮器１２０に貯留された冷媒液は、ポンプによって熱交換器に圧送される（点ｄ→点ｅ）。冷媒液は、熱交換器において冷却される（点ｅ→点ｆ）。冷却された冷媒液は、凝縮器１２０に戻される（点ｆ→点ｄ）。冷媒液の一部は、第２連通路１４０を通じて蒸発器１１０に戻される（点ｄ→点ａ）。
　図２は、本実施形態のヒートポンプ装置２００におけるモリエル線図である。破線は、図１３で説明したサイクルの一部を表している。蒸発器２１に貯留された冷媒液は、蒸発器２１の内部で蒸発して冷媒蒸気に変化する（点Ａ→点Ｂ）。冷媒蒸気は、圧縮機３１において圧縮される（点Ｂ→点Ｃ）。圧縮された冷媒蒸気は、エジェクタ１１に吸い込まれ、第１熱交換器１４から流出した冷媒液と混合される（点Ｃ→点Ｄ）。冷媒蒸気と冷媒液との冷媒混合物は、エジェクタ１１において昇温及び昇圧される（点Ｄ→点Ｅ）。詳細には、エジェクタ１１において冷媒蒸気が熱を放出しながら凝縮する。従って、冷媒混合物の温度も上昇する。冷媒混合物は、液相状態又は気液二相状態の冷媒である。エジェクタ１１の出口の冷媒の状態は、ヒートポンプ装置２００の運転条件に応じて変化する。エジェクタ１１の出口で冷媒が完全に液相状態であること、言い換えれば、冷媒のクオリティがゼロであることが理想的である。冷媒混合物は、エジェクタ１１から第１抽出器１２に送られ、冷媒液と冷媒蒸気とに分離される。第１抽出器１２に貯留された冷媒液は、第１ポンプ１３によって第１熱交換器１４に圧送される（点Ｅ→点Ｆ）。冷媒液は、第１熱交換器１４において冷却される（点Ｆ→点Ｇ）。第１熱交換器１４は、第１ポンプ１３によって昇圧された冷媒液を過冷却域まで冷却する。冷却された冷媒液は、エジェクタ１１に駆動流として供給される（点Ｇ→点Ｄ）。冷媒液の一部は、第１抽出器１２又は配管１５ａから蒸発器２１へと戻されてもよい（点Ｅ→点Ａ）。
　また、点Ｄ、点Ｅ及び点Ｇから理解できるように、エジェクタ１１から吐出された冷媒混合物の圧力は、エジェクタ１１に吸い込まれる冷媒蒸気の圧力より高く、エジェクタ１１に供給される冷媒液の圧力より低い。言い換えれば、エジェクタ１１の出口における圧力は、エジェクタ１１の第２ノズル４１への入口における圧力よりも高く、エジェクタ１１の第１ノズル４０への入口における圧力よりも低い。このような圧力関係により、冷媒の圧力を効率的に上げることができる。本実施形態によれば、エジェクタ１１を凝縮器として機能させることができる。
　エジェクタ１１の出口における圧力は、例えば、６～１０００ｋＰａＡの範囲にある。エジェクタ１１の第２ノズル４１への入口における圧力は、例えば、５～１５ｋＰａＡの範囲にある。エジェクタ１１の第１ノズル４０への入口における圧力は、例えば、３００～１５００ｋＰａＡの範囲にある。
　図２と図１３とを比較すると理解できるように、図２のサイクルにおいて圧縮機３１が担うべき仕事は、図１３のサイクルにおいて圧縮機１３１及び１３２が担うべき仕事よりも小さい。つまり、本実施形態によれば、圧縮機３１での圧縮比を減らせる。例えば、冷媒として水を使用した場合、エジェクタ１１に数百ｋＰａ～数ＭＰａの範囲の圧力を有する冷媒液を駆動流として供給することによって、圧縮機３１での圧力比を約３０％減らせる。
　図２のサイクルでは、第１熱交換器１４での放熱量が増加しているように見える。しかし、冷媒液の循環量が減少しているので、図２のサイクルと図１３のサイクルとの間で放熱量に大きな差は無い。また、図２のサイクルでは、第１ポンプ１３の仕事が増加しているが、圧縮機３１の仕事の減少を考慮すれば、ヒートポンプ装置２００の効率（ＣＯＰ：coefficient　of　performance）は、従来の冷凍サイクル装置１００の効率と同等かそれを上回る。
　また、本実施形態のヒートポンプ装置２００によれば、より高温の冷媒液を容易に生成することができる。つまり、気候が比較的温暖な地域から、砂漠地域、熱帯地域など外気温の非常に高い地域まで、幅広い地域でヒートポンプ装置２００を冷房用途で使用できる。また、ヒートポンプ装置２００を暖房用途で使用する場合にも次のような効果が得られる。すなわち、圧縮機３１のモータに使用された永久磁石の減磁を防止するために、圧縮機３１の吐出冷媒の温度は制限される可能性がある。しかし、本実施形態によれば、エジェクタ１１によってより高温の冷媒液を生成できるので、圧縮機３１の吐出冷媒の温度を抑制しつつ、高温暖房が可能となる。また、暖房用途だけでなく、ヒートポンプ装置２００を給湯用途に使用する場合においても、より高温の給湯に対応することが可能となる。
　なお、蒸発器２１に貯留された冷媒液は、ポンプ２２によって第２熱交換器２３に圧送され、第２熱交換器２３において室内空気などの熱媒体から吸熱した後、蒸発器２１に戻る。蒸発器２１の冷媒液は、減圧下での沸騰により蒸発し、蒸発した冷媒蒸気が圧縮機３１に吸入される。
　本実施形態のヒートポンプ装置２００では、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒が使用されている。水を主成分として含む冷媒を例に挙げると、冷媒蒸気の体積が冷媒液の体積の約１０万倍と大きい。そのため、液経路１５に冷媒蒸気が入ると、非常に大きいポンプ動力が必要となる。
　本実施形態によれば、エジェクタ１１で生成された冷媒混合物が第１抽出部１２に送られ、第１抽出部１２において冷媒混合物から冷媒液が抽出される。第１抽出器１２の液出口と第１熱交換器１４の入口との間において液経路１５に第１ポンプ１３が設けられている。第１抽出器１２で抽出された冷媒液が第１ポンプ１３によって第１熱交換器１４に送られる。このような構成によれば、第１抽出器１２から第１熱交換器１４を経てエジェクタ１１に至る液経路１５の中を冷媒液で満たし、第１ポンプ１３によって冷媒液を第１熱交換器１４及びエジェクタ１１に圧送し続けることができる。言い換えれば、液経路１５に冷媒蒸気が入ることを防止できる。
　次に、エジェクタ１１の構造を詳細に説明する。図２のモリエル線図から理解できるように、エジェクタ１１は、冷媒の圧力を上昇させる機能だけでなく、冷媒を凝縮させる機能を有していることが望ましい。以下に説明するエジェクタ１１の詳細な構造は、冷媒液と冷媒蒸気との間の運動量の輸送を効率的に進行させ、これにより、エジェクタ１１の上記の機能の向上に寄与するものである。
　図３Ａに示すように、エジェクタ１１は、第１ノズル４０、第２ノズル４１、混合部４２、ディフューザ部４３及び霧化機構４４を有する。第１ノズル４０は、エジェクタ１１の中心部に配置された筒状の部分である。第１ノズル４０には、駆動流としての冷媒液（液相の作動流体）が供給される。第２ノズル４１は、第１ノズル４０の周りに環状の空間を形成している部分である。第２ノズル４１に冷媒蒸気（気相の作動流体）が吸い込まれる。混合部４２は、第１ノズル４０及び第２ノズル４１の両方に連通している筒状の部分である。霧化機構４４は、混合部４２に面するように第１ノズル４０の先端部に配置されている。霧化機構４４は、冷媒液を液相状態のまま霧化させる機能を有する。霧化機構４４で生成された霧状の冷媒と第２ノズル４１に吸い込まれた冷媒蒸気とが混合部４２で混合され、冷媒混合物（流体混合物）が生成される。ディフューザ部４３は、混合部４２に連通している筒状の部分であって、冷媒混合物をエジェクタ１１の外部に吐出させる開口部を有する。ディフューザ部４３の内径は、上流側から下流側に向かって徐々に拡大している。ディフューザ部４３において、冷媒混合物の速度が減らされ、これにより、冷媒混合物の静圧が回復する。第１ノズル４０、第２ノズル４１、混合部４２、ディフューザ部４３及び霧化機構４４は、共通の中心軸Ｏを持っている。
　図３Ｂに示すように、霧化機構４４は、噴射部５１及び衝突面形成部５３を有する。噴射部５１は、第１ノズル４０の先端部に取り付けられた部分である。噴射部５１には、複数のオリフィス５１ｈが形成されている。複数のオリフィス５１ｈは、第１ノズル４０と混合部４２とを連通するように、筒状の噴射部５１の底部を貫通している。これらのオリフィス５１ｈを通じて、冷媒液が第１ノズル４０から衝突面形成部５３に向けて噴射される。すなわち、噴射部５１は、冷媒液の噴流を生成することができる。衝突面形成部５３は、噴射部５１からの噴流を衝突させるべき衝突面５６ｐを有する部分である。本実施形態において、衝突面形成部５３は、軸部５４及び裾部５６によって構成されている。軸部５４は、噴射部５１に一体に形成された部分であり、円柱の形状を有している。裾部５６は、軸部５４の先端部に設けられた末広の部分である。裾部５６によって衝突面５６ｐが形成されている。このような構成によれば、冷媒蒸気の通り道を遮ることなく、混合部４２の内部に衝突面５６ｐを配置することができる。衝突面５６ｐは、噴流の進行方向に対して傾斜している。衝突面５６ｐに衝突した噴流は、衝突の衝撃によって微細化されるとともに、衝突面５６ｐの傾斜方向に向きを変える。微細化された冷媒液と冷媒蒸気とが混合部４２において混合される。噴流の進行方向に対して衝突面５６ｐが傾斜しているので、衝突面５６ｐは傾斜角度に応じた抗力を噴流から受ける。つまり、衝突面５６ｐを傾斜させることによって、冷媒液の運動量の損失の発生を抑制することができる。本実施形態では、衝突面５６ｐは、円錐の形状を有している。
　図３Ｂ及び図３Ｃに示すように、本実施形態において、複数のオリフィス５１ｈは、第１ノズル４０の中心軸Ｏを包囲するように、中心軸Ｏの周囲に等間隔で設けられている。複数のオリフィス５１ｈは、それぞれ、中心軸Ｏと平行な方向に延びている。このような構成によれば、霧化した冷媒液を混合部４２に均一に供給できる。また、オリフィス５１ｈから冷媒液を噴射させることによって、十分な運動量を持った噴流を衝突面５６ｐに衝突させることができる。複数のオリフィス５１ｈを使用することによって、冷媒液の流量を十分に確保できる。
　図３Ｄに示すように、霧化機構４４の噴射部５１には、オリフィス５１ｈに代えて、少なくとも１つのスリット５１ｓが形成されていてもよい。図３Ｄに示す例では、複数のスリット５１ｓ（詳細には、２つのスリット５１ｓ）が噴射部５１に形成されている。複数のスリット５１ｓは、第１ノズル４０の中心軸Ｏを包囲するように、中心軸Ｏの周囲に等間隔で設けられている。スリット５１ｓは、平面視で円弧の形状を有している。複数のスリット５１ｓは、それぞれ、中心軸Ｏと平行な方向に延びている。スリット５１ｓもオリフィス５１ｈと同じ働きをする。
　上記のように、オリフィス５１ｈをスリット５１ｓで置き換えることが可能である。さらに、オリフィス５１ｈとスリット５１ｓとが混在していてもよい。以下、本明細書において、オリフィスに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、スリットにも適用される。同様に、スリットに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、オリフィスにも適用される。
　オリフィス５１ｈの断面形状、大きさ、数などは特に限定されない。十分な流量の冷媒液を通過させることができるように、オリフィス５１ｈの断面形状、大きさ、数が定められている。本実施形態では、長手方向に垂直なオリフィス５１ｈの断面形状は円形である。また、オリフィス５１ｈの断面積は、中心軸Ｏに平行な方向（冷媒液の流れ方向）において一定である。言い換えると、中心軸Ｏに平行な方向の上流側におけるオリフィス５１ｈの開口面積は、下流側におけるオリフィス５１ｈの開口面積に等しい。また、オリフィス５１ｈの断面形状も中心軸Ｏに平行な方向において一定である。従って、オリフィス５１ｈを通過する際に冷媒液が液相から気液二相に変化しにくい。オリフィス５１ｈの内径（スリット５１ｓの幅）は、例えば、５０～５００μｍである。
　ただし、オリフィス５１ｈの内径が上流側から下流側に向かって僅かに拡大又は縮小していてもよい。オリフィス５１ｈを通過するときに冷媒が気液二相に変化することを十分に抑制できる限り、オリフィス５１ｈの内径は一定であるものと見なすことができる。
　図３Ｃに示す例では、複数のオリフィス５１ｈは、中心軸Ｏを仮想的に包囲する一重の円環に沿って形成されている。図３Ｄに示すように、スリット５１ｓも中心軸Ｏを仮想的に包囲する一重の円環に沿って円弧状に形成されている。図３Ｅに示すように、複数のオリフィス５１ｈ（又はスリット５１ｓ）は、中心軸Ｏをそれぞれ仮想的に包囲する二重の円環に沿って形成されていてもよい。このような構成によれば、冷媒液の流量を十分に確保できる。また、中心軸Ｏの近くの位置にあるオリフィス５１ｈで生成された噴流（内側の噴流）と中心軸Ｏから離れた位置にあるオリフィス５１ｈで生成された噴流（外側の噴流）との衝突によって冷媒液の微細化を促進できる可能性がある。内側の噴流のための衝突面５６ｐは、外側の噴流のための衝突面５６ｐに共用されていてもよい。また、内側の噴流及び外側の噴流のそれぞれに専用の衝突面が設けられていてもよい。
　中心軸Ｏの近くの位置にある複数のオリフィス５１ｈと中心軸Ｏから離れた位置にある複数のオリフィス５１ｈとが同心円状に配列していることは必須ではない。これらが同心円から外れた位置に形成されていてもよい。
　本実施形態において、霧化機構４４は、１流体方式の霧化機構である。「１流体方式」とは、当業者に知られているように、ポンプによって高められた冷媒液自身の圧力によって霧状の冷媒液を生成する方式を意味する。１流体方式の霧化機構の構造は簡潔である。そのため、１流体方式の霧化機構は、２流体方式の霧化機構よりも低コストである。
　霧化機構４４は、噴射部５１で生成された噴流が混合部４２の内壁面に直接衝突しないように構成されている。具体的に、本実施形態では、オリフィス５１ｈの中心軸が第１ノズル４０の中心軸Ｏに平行である。そのため、噴射部５１からの噴流は、混合部４２の内壁面に直接衝突し得ない。これにより、噴流が混合部４２の内壁面に直接衝突することに基づく噴流の運動量の損失が発生することを回避できる。もちろん、オリフィス５１ｈの中心軸が第１ノズル４０の中心軸Ｏに対して傾いていてもよい。衝突面５６ｐの位置、広さなどを適切に調整すれば、噴流が混合部４２の内壁面に直接衝突することを回避できる。
　図４に示すように、本実施形態では、噴射部５１からの噴流Ｊ１が全体的に衝突面５６ｐに衝突するように、噴射部５１と衝突面５６ｐとの位置関係が定められている。つまり、中心軸Ｏに垂直な方向（混合部４２の半径方向）において、噴流Ｊ１は、衝突面５６ｐの外縁５６ｅよりも内側（中心軸Ｏの近く）に位置している。このような位置関係によれば、噴流Ｊ１を効率的に微細化することができるので、エジェクタ１１の能力を最大限に引き出せる。その結果、サイクルの効率を最大限に高めることができる。噴流Ｊ１の一部が衝突面５６ｐから逸れている場合、その噴流Ｊ１の一部は微細化されずに混合部４２に放出される。その結果、冷媒液と冷媒蒸気との間の運動量の輸送の効率は低下する。
　噴射部５１から噴射された液柱状の冷媒液（噴流Ｊ１）は、レイリー・テイラー不安定性に起因する不安定状態となる。噴流Ｊ１が衝突面５６ｐに衝突することによって微細噴霧流が生成される。
　噴流Ｊ１の進行方向は、第１ノズル４０の中心軸Ｏに概ね平行である。噴流Ｊ１の進行方向と衝突面５６ｐとのなす角度θ１は、例えば、０°＜θ１＜９０°の関係を満たす。角度θ１がこのような範囲に調整されていると、衝突によって生成された噴霧流が狭角にて混合部４２に放出される。この場合、噴霧流が混合部４２の内壁面に衝突しにくいので、運動量の損失も発生しにくい。角度θ１は、言い換えると、中心軸Ｏに対する衝突面５６ｐの傾斜角度である。
　次に、図１に示すヒートポンプ装置２００におけるエジェクタ１１の働きを詳細に説明する。
　図１に示すように、第１ノズル４０は配管１５ｄによって第１熱交換器１４に接続されている。配管１５ｄを通じて、第１熱交換器１４から流出した過冷却状態の冷媒液が駆動流として第１ノズル４０に供給される。第２ノズル４１には蒸気経路３２が接続されている。第１ノズル４０及び霧化機構４４を通じて混合部４２に噴霧される冷媒液の温度は、第１熱交換器１４によって下げられている。そのため、霧化機構４４から冷媒液が噴霧されることによって、混合部４２の圧力が蒸気経路３２の圧力より低くなる。詳細には、混合部４２の圧力は、第１ノズル４０に供給される冷媒液の温度に対応した飽和圧力となる。その結果、蒸気経路３２を通じて、大気圧以下の圧力を有する冷媒蒸気が膨張及び加速しながら第２ノズル４１に連続的に吸い込まれる。霧化機構４４から加速しながら噴霧された冷媒液と、第２ノズル４１から膨張及び加速しながら噴射された冷媒蒸気は、混合部４２で混合される。そして、冷媒液と冷媒蒸気との間の温度差に起因する第１の凝縮と、冷媒液と冷媒蒸気との間のエネルギーの輸送及び冷媒液と冷媒蒸気との間の運動量の輸送に基づく昇圧効果に起因する第２の凝縮とによって、クオリティ（乾き度）の小さい冷媒混合物が生成される。この冷媒混合物のクオリティがゼロでない場合、冷媒混合物の流速が二相流の音速を超えることで急激な圧力上昇が起こり、さらに凝縮が促進される。生成した冷媒混合物は、液相状態又はクオリティの非常に小さい気液二相状態の冷媒である。その後、ディフューザ部４３は、冷媒混合物を減速することによって静圧を回復させる。このような構造のエジェクタ１１において、冷媒の温度及び圧力が上昇する。
　以下、エジェクタのいくつかの変形例について説明する。図３Ａ～図３Ｂを参照して説明したエジェクタ１１に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、以下の変形例にも適用されうる。また、以下の変形例に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、エジェクタ１１に適用されうるだけでなく、相互に適用されうる。
　（変形例１）
　図５Ａに示すように、変形例１に係るエジェクタ６１は、先に説明したエジェクタ１１の霧化機構４４と異なる構造の霧化機構６４を備えている。ただし、冷媒液を霧化させるための原理は、霧化機構４４と霧化機構６４とで共通している。本変形例のエジェクタ６１の働きは、先に説明したエジェクタ１１の働きと同じである。霧化機構６４の構造を除き、エジェクタ６１の構造は、エジェクタ１１の構造と同じである。エジェクタ６１は、エジェクタ１１と同様に、ヒートポンプ装置２００（図１）に好適に使用されうる。
　図５Ａ及び図５Ｂに示すように、エジェクタ６１において、霧化機構６４は、混合部４２に面するように第１ノズル４０の先端部に配置されている。霧化機構６４は、噴射部７１及び衝突面形成部７３を有する。噴射部７１は、第１ノズル４０の先端部に取り付けられた部分である。噴射部７１には、複数のオリフィス７１ｈが形成されている。複数のオリフィス７１ｈは、第１ノズル４０と混合部４２とを連通するように、筒状の噴射部７１の底部を貫通している。これらのオリフィス７１ｈを通じて、冷媒液が第１ノズル４０から衝突面形成部７３に向けて噴射される。すなわち、噴射部７１は、冷媒液の噴流を生成することができる。衝突面形成部７３は、噴射部７１からの噴流を衝突させるべき衝突面７３ｐを有する部分である。衝突面形成部７３は、噴射部７１に一体に形成された筒状の部分である。筒状の衝突面形成部７３の内周面によって衝突面７３ｐが形成されている。衝突面７３ｐは、噴流の進行方向に対して傾斜している。衝突面７３ｐに衝突した噴流は、衝突の衝撃によって微細化されるとともに、衝突面７３ｐの傾斜方向に向きを変える。微細化された冷媒液と冷媒蒸気とが混合部４２において混合される。
　図５Ｂ及び図５Ｃに示すように、複数のオリフィス７１ｈは、第１ノズル４０の中心軸Ｏを包囲するように、中心軸Ｏの周囲に等間隔で設けられている。複数のオリフィス７１ｈは、それぞれ、中心軸Ｏに対して傾いた方向に延びている。衝突面７３ｐは、複数のオリフィス７１ｈが設けられた位置よりも中心軸Ｏから離れた位置で中心軸Ｏを包囲している円筒面である。衝突面形成部７３の中心軸は、第１ノズル４０の中心軸Ｏに一致している。このような構成によれば、霧化した冷媒液を混合部４２に均一に供給できる。また、複数のオリフィス７１ｈから冷媒液を噴射させることによって、十分な運動量を持った噴流を衝突面７３ｐに衝突させることができる。複数のオリフィス７１ｈを使用することによって、冷媒液の流量を十分に確保できる。なお、図５Ｂ及び図５Ｃにおいては、衝突面形成部７３は、衝突面７３ｐが中心軸Ｏに対して平行な方向に延びているが、中心軸Ｏに対して傾いた方向に延びていてもよい。
　図５Ｄに示すように、霧化機構６４の噴射部７１には、オリフィス７１ｈに代えて、少なくとも１つのスリット７１ｓが形成されていてもよい。図５Ｄに示す変形例では、複数のスリット７１ｓ（詳細には、２つのスリット７１ｓ）が噴射部７１に形成されている。複数のスリット７１ｓは、第１ノズル４０の中心軸Ｏを包囲するように、中心軸Ｏの周囲に等間隔で設けられている。スリット７１ｓは、平面視で円弧の形状を有している。複数のスリット７１ｓは、それぞれ、中心軸Ｏに対して傾いた方向に延びている。スリット７１ｓもオリフィス７１ｈと同じ働きをする。
　オリフィス７１ｈ及びスリット７１ｓが中心軸Ｏに対して傾いた方向に延びていることを除き、オリフィス７１ｈ及びスリット７１ｓの詳細な構造は、先に説明したオリフィス５１ｈ及びスリット５１ｓと同じである。
　本変形例においても、霧化機構６４は、噴射部７１で生成された噴流が混合部４２の内壁面に直接衝突しないように構成されている。具体的には、図６に示すように、噴射部７１からの噴流Ｊ２が全体的に衝突面７３ｐに衝突するように、噴射部７１と衝突面７３ｐとの位置関係が定められている。つまり、中心軸Ｏに平行な方向において、噴流Ｊ２は、衝突面７３ｐの下流端７３ｅよりも上流側に位置している。このような位置関係によれば、噴流Ｊ２を効率的に微細化することができるので、エジェクタ６１の能力を最大限に引き出せる。その結果、サイクルの効率を最大限に高めることができる。
　噴射部７１から噴射された液柱状の冷媒液（噴流Ｊ２）は、レイリー・テイラー不安定性に起因する不安定状態となる。噴流Ｊ２が衝突面７３ｐに衝突することによって微細噴霧流が生成される。
　噴流Ｊ２の進行方向は、第１ノズル４０の中心軸Ｏに対して傾斜している。噴流Ｊ２の進行方向と衝突面７３ｐとのなす角度θ２は、例えば、０°＜θ２＜９０°の関係を満たす。角度θ２がこのような範囲に調整されていると、噴霧流が狭角にて混合部４２に放出される。この場合、噴霧流が混合部４２の内壁面に衝突しにくいので、運動量の損失も発生しにくい。
　特に、本変形例によれば、衝突面７３ｐが第１ノズル４０の中心軸Ｏに平行である。この場合、衝突面７３ｐで生成された噴霧流が中心軸Ｏに概ね平行な方向に放出される。その結果、上記の効果を十分に得ることができる。なお、衝突面７３ｐと中心軸Ｏとのなす角度は０度に限定されない。衝突面７３ｐと中心軸Ｏとのなす角度は、例えば、０°よりも大きく９０°よりも小さい。つまり、衝突面形成部７３の内径は、下流側に向かって連続的に拡大していてもよい。
　（変形例２）
　図７Ａ～図７Ｃに示すように、変形例２に係る霧化機構８４は、噴射部７１及び衝突面形成部７３を有する。これらの構造は、変形例１で説明した通りである。噴射部７１には、スリット７２ｓが形成されている。第１ノズル４０の側から平面視したとき、スリット７２ｓは、複数の部分（円弧状の２つの部分）に分かれている（図７Ｂ）。混合部４２の側から平面視したとき、スリット７２ｓは、円環の形状を有する（図７Ｃ）。すなわち、スリット７２ｓの断面形状は、中心軸Ｏに平行な方向において変化している。このように、噴射部７１のスリット（又はオリフィス）の断面形状は、中心軸Ｏに平行な方向において変化していてもよい。また、噴射部７１のスリット（又はオリフィス）の断面積は、中心軸Ｏに平行な方向において変化していてもよい。このような構造は、図３Ａ～図３Ｄを参照して説明したエジェクタ１１にも適用されうる。さらに、図５Ｄを参照して説明したように、中心軸Ｏに対して傾いた方向に延びている複数のスリット７１ｓが噴射部７１に形成されている場合、複数のスリット７１ｓのそれぞれの断面形状が、本変形例のように、中心軸Ｏに平行な方向において変化していてもよい。
　（変形例３）
　図８Ａ及び図８Ｂに示すように、変形例３に係る霧化機構９４は、噴射部９１、衝突面形成部９２及び衝突面形成部９３を有する。噴射部９１は、第１ノズル４０の先端部に取り付けられた部分である。噴射部９１には、複数のオリフィス９１ｈ（第１オリフィス）及び複数のオリフィス９３ｈ（第２オリフィス）が形成されている。オリフィス９１ｈ及び９３ｈは、第１ノズル４０と混合部４２とを連通するように、筒状の噴射部９１の底部を貫通している。これらのオリフィス９１ｈ及び９３ｈを通じて、冷媒液が第１ノズル４０から衝突面形成部９２及び９３に向けて噴射される。すなわち、噴射部９１は、冷媒液の噴流を生成することができる。
　複数のオリフィス９１ｈは、第１ノズル４０の中心軸Ｏから相対的に遠い位置に形成されている。他の複数のオリフィス９３ｈは、中心軸Ｏから相対的に近い位置に形成されている。詳細には、オリフィス９１ｈ及び９３ｈは、中心軸Ｏをそれぞれ仮想的に包囲する二重の円環に沿って形成されている。このような構成によれば、冷媒液の流量を十分に確保できる。このような構成は、先に説明した霧化機構４４，６４及び８４にも採用されうる。
　本変形例の霧化機構９４には、複数の衝突面形成部９２及び９３が設けられている。衝突面形成部９２及び９３は、それぞれ、中心軸Ｏから相対的に遠い位置と中心軸Ｏから相対的に近い位置とに設けられている。衝突面形成部９２及び９３は、ともに、噴射部９１に一体に形成された筒状の部分である。衝突面形成部９２は、中心軸Ｏから遠い位置に形成された複数のオリフィス９１ｈに対応している。すなわち、衝突面形成部９２は、複数のオリフィス９１ｈからの噴流を衝突させるべき衝突面９２ｐを有する外側の部分である。筒状の衝突面形成部９２の内周面によって衝突面９２ｐが形成されている。他方、衝突面形成部９３は、中心軸Ｏから近い位置に形成された複数のオリフィス９３ｈに対応している。すなわち、衝突面形成部９３は、複数のオリフィス９３ｈからの噴流を衝突させるべき衝突面９３ｐを有する内側の部分である。筒状の衝突面形成部９３の内周面によって衝突面９３ｐが形成されている。衝突面９２ｐ及び９３ｐは、それぞれ、噴流の進行方向に対して傾斜している。衝突面９２ｐに衝突した噴流は、衝突の衝撃によって微細化されるとともに、衝突面９２ｐの傾斜方向に向きを変える。同様に、衝突面９３ｐに衝突した噴流は、衝突の衝撃によって微細化されるとともに、衝突面９３ｐの傾斜方向に向きを変える。微細化された冷媒液と冷媒蒸気とが混合部４２において混合される。なお、衝突面形成部９３の外周面にオリフィス９１ｈからの噴流が衝突するように、オリフィス９１ｈの傾斜方向が定められていてもよい。この場合、外側の衝突面形成部９２を省略することができる。
　オリフィス９１ｈ及び９３ｈは、それぞれ、中心軸Ｏに対して傾いた方向に延びている。衝突面９２ｐ及び９３ｐは、それぞれ、第１ノズル４０の中心軸Ｏに平行である。すなわち、衝突面形成部９３及び複数のオリフィス９３ｈが追加されていることを除き、本変形例の構成は、変形例１の構成と同じである。従って、本変形例においても、変形例１と同じ効果が得られる。
　本変形例においても、霧化機構９４は、噴射部７１で生成された噴流が混合部４２の内壁面に直接衝突しないように構成されている。具体的には、図６を参照して説明したように、噴射部９１からの噴流が全体的に衝突面９２ｐ又は９３ｐに衝突するように、噴射部９１と衝突面９２ｐとの位置関係又は噴射部９１と衝突面９３ｐとの位置関係が定められている。
　図８Ｃに示すように、本変形例においても、オリフィス９１ｈに代えて、スリット９１ｓを採用できる。オリフィス９３ｈに代えて、スリット９３ｓを採用できる。スリット９３ｓは、平面視で円弧の形状を有していてもよい。
　（別の実施形態）
　本明細書で説明したエジェクタは、Ｒ４１０Ａなどのフッ素冷媒又は二酸化炭素などの自然冷媒を用いたヒートポンプ装置にも使用できる。図９に示すように、本実施形態のヒートポンプ装置３００は、圧縮機３０２、放熱器３０３（凝縮器）、エジェクタ１１（又は６１）、気液分離器３０５、膨張弁３０６及び蒸発器３０７を備えている。これらの構成要素は、冷媒回路３０を形成するように、流路３０ａ～３０ｆによって互いに接続されている。流路３０ａ～３０ｆは、典型的には、冷媒配管で構成されている。冷媒回路３０には、作動流体として、ハイドロフルオロカーボン、二酸化炭素等の冷媒が充填されている。流路３０ａ～３０ｆにアキュームレータ等の他の構成要素が設けられていてもよい。膨張弁３０６は、省略されていてもよい。
　流路３０ａは、圧縮機３０２で圧縮された冷媒が放熱器３０３に供給されるように、圧縮機２と放熱器３０３とを接続している。流路３０ｂは、放熱器３０３から流出した冷媒がエジェクタ１１に供給されるように、放熱器３０３とエジェクタ１１とを接続している。流路３０ｃは、エジェクタ１１から吐出された冷媒が気液分離器３０５に供給されるように、エジェクタ１１と気液分離器３０５とを接続している。流路３０ｄは、気液分離器３０５で分離された冷媒蒸気が圧縮機３０２に供給されるように、気液分離器３０５と圧縮機３０２とを接続している。流路３０ｅは、気液分離器３０５で分離された冷媒液が蒸発器３０７に供給されるように、気液分離器３０５と蒸発器３０７とを接続している。流路３０ｆは、蒸発器３０７から流出した冷媒蒸気がエジェクタ１１に供給されるように、蒸発器３０７とエジェクタ１１とを接続している。
　エジェクタ１１を使用すれば、圧縮機３０２の吸入圧力を中間圧まで上昇させることができる。その結果、圧縮機３０２の負荷が減り、ヒートポンプ装置３００のＣＯＰが改善する。
　本明細書に開示されたエジェクタ及びヒートポンプ装置は、家庭用エアコン、業務用エアコンなどの空気調和装置に特に有用である。
１１，６１　エジェクタ
１２　第１抽出器
１３　第１ポンプ
１４　第１熱交換器
１５　液経路
１５ａ～１５ｄ　配管
２１　蒸発器
２２　第２ポンプ
２３　第２熱交換器
２４　循環路
３１　圧縮機
３２　蒸気経路
４０　第１ノズル
４１　第２ノズル
４２　混合部
４３　ディフューザ部
４４，６４，８４，９４　霧化機構
５１，７１，９１　噴射部
５１ｈ，７１ｈ，９１ｈ，９３ｈ　オリフィス
５１ｓ，７１ｓ，７２ｓ，９１ｓ，９３ｓ　スリット
５３，７３，９２，９３　衝突面形成部
５４　軸部
５６　裾部
５６ｐ，７３ｐ，９２ｐ，９３ｐ　衝突面
２００，３００　ヒートポンプ装置
Ｏ　中心軸

Claims (20)

  1. 　液相の作動流体が供給される第１ノズルと、
    　気相の作動流体が吸い込まれる第２ノズルと、
    　前記第１ノズルの先端部に配置され、前記液相の作動流体を液相状態のまま霧化させる霧化機構と、
    　前記霧化機構で生成された霧状の作動流体と前記第２ノズルに吸い込まれた前記気相の作動流体とを混合して流体混合物を生成する混合部と、
    　を備えた、エジェクタ。
  2. 　前記霧化機構は、（ａ）前記液相の作動流体の噴流を生成する噴射部と、（ｂ）前記噴射部からの前記噴流を衝突させる衝突面とを含み、
    　前記噴流の進行方向に対して前記衝突面が傾斜している、請求項１に記載のエジェクタ。
  3. 　前記噴射部により生成された前記噴流は、前記衝突面と全体的に衝突する、請求項２に記載のエジェクタ。
  4. 　前記噴射部は、複数のオリフィスを含む、請求項２又は３に記載のエジェクタ。
  5. 　前記複数のオリフィスは、前記第１ノズルの中心軸の周囲に設けられ、且つ、それぞれ、前記中心軸と平行な方向に延びている、請求項４に記載のエジェクタ。
  6. 　前記複数のオリフィスは、前記第１ノズルの中心軸の周囲に設けられ、且つ、それぞれ、前記第１ノズルの前記中心軸に対して傾いた方向に延びており、
    前記衝突面は、前記複数のオリフィスが設けられた位置よりも前記第１ノズルの前記中心軸から離れた位置で前記第１ノズルの前記中心軸を包囲している円筒面である、
    請求項４に記載のエジェクタ。
  7. 　前記複数のオリフィスは、前記第１ノズルの中心軸をそれぞれ仮想的に包囲する二重の円環に沿って形成されている、請求項４～６のいずれか１項に記載のエジェクタ。
  8. 　前記複数のオリフィスは、それぞれの断面積が前記作動流体の流れ方向において一定である、請求項４～７のいずれか１項に記載のエジェクタ。
  9. 　前記噴射部は、スリットを含む、請求項２又は３に記載のエジェクタ。
  10. 　前記スリットは、前記第１ノズルの中心軸の周囲に設けられ、且つ、前記第１ノズルの前記中心軸と平行な方向に延びている、
    請求項９に記載のエジェクタ。
  11. 　前記スリットは、前記第１ノズルの中心軸の周囲に設けられ、且つ、前記第１ノズルの前記中心軸に対して傾いた方向に延びており、
    　前記衝突面は、前記スリットが設けられた位置よりも前記第１ノズルの前記中心軸から離れた位置で前記第１ノズルの前記中心軸を包囲している円筒面である、
    請求項９に記載のエジェクタ。
  12. 　前記スリットは、前記第１ノズルの中心軸をそれぞれ仮想的に包囲する二重の円環に沿って形成されている、請求項９～１１のいずれか１項に記載のエジェクタ。
  13. 　前記スリットは、断面積が前記作動流体の流れ方向において一定である、請求項９～１２のいずれか１項に記載のエジェクタ。
  14. 　前記衝突面は前記噴射部と前記混合部の内壁面との間に設けられ、前記噴射部から噴射され前記衝突面に衝突した噴流を前記内壁面に向ける、請求項２～１３のいずれか１項に記載のエジェクタ。
  15. 　前記霧化機構は、１流体方式の霧化機構である、請求項１～１４のいずれか１項に記載のエジェクタ。
  16. 　前記流体混合物を外部に吐出させる吐出部をさらに備え、
    　前記吐出部は、前記流体混合物を減速することによって静圧を回復させるディフューザ部を有する、請求項１～１５のいずれか１項に記載のエジェクタ。
  17. 　冷媒蒸気を圧縮する圧縮機と、
    　冷媒液が流れる熱交換器と、
    　前記圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気と、前記熱交換器から流出した前記冷媒液とを用いて冷媒混合物を生成する、請求項１～１６のいずれか１項に記載のエジェクタと、
    　前記エジェクタから前記冷媒混合物を受け取り、前記冷媒混合物から前記冷媒液を抽出する抽出器と、
    　前記抽出器から前記熱交換器を経由して前記エジェクタに至る液経路と、
    　前記冷媒液を貯留し、前記冷媒液を蒸発させることによって前記圧縮機で圧縮されるべき前記冷媒蒸気を生成する蒸発器と、
    　を備えた、ヒートポンプ装置。
  18. 　前記エジェクタから吐出された前記冷媒混合物の圧力は、前記エジェクタに吸い込まれる前記冷媒蒸気の圧力より高く、前記エジェクタに供給される前記冷媒液の圧力より低い、請求項１７に記載のヒートポンプ装置。
  19. 　前記冷媒は、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒である、請求項１７又は１８に記載のヒートポンプ装置。
  20. 　前記冷媒は、主成分として水を含む、請求項１７～１９のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。
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