WO2019146322A1 - エジェクタ - Google Patents

Abstract

エジェクタは、流体を減圧させて流体噴射口（４１ｅ）から噴射するノズル（４１）と、ボデー（４２）と、を備える。ボデーには、流体吸引口（４２ａ）、混合部（４２ｂ）、昇圧部（４２ｄ）が形成される。ノズルの外周面とボデーの内周面との間には、吸引流体を流通させる吸引通路（４２ｃ）が形成されている。混合部は、ノズルの中心軸（ＣＬ）に同軸上に配置されている。ノズルのノズル通路には先細部（４１ｂ）と喉部（４１ｃ）が形成されている。ノズル通路のうち、喉部から流体噴射口へ至る流体通路の中心軸方向の距離は、流体噴射口の開口径（φＤ）の２倍以下である。基準断面においてノズルの外周面のうち吸引通路を形成する部位の最大径部が描く点（Ｐｍｘ１）および最小径部が描く点（Ｐｍｎ１）を通過するノズル外周側直線（Ｌ１）が中心軸（ＣＬ）と交わる点をノズル外周側交点（Ｐ１）と定義する。ノズル外周側交点は、混合部の内部に位置する。

Description

エジェクタ 関連出願の相互参照

　本出願は、２０１８年１月２４日に出願された日本特許出願番号２０１８－００９４７７号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。

　本開示は、ノズルから噴射される高速度の噴射流体の吸引作用によって、流体を吸引するエジェクタに関する。

　従来、ノズルから噴射される高速度の噴射流体の吸引作用によって、ボデーに形成された流体吸引口から流体を吸引するエジェクタが知られている。この種のエジェクタでは、外部から流体を吸引することで、ノズルにて冷媒を減圧する際に生じるエネルギー損失を回収する。そして、ディフューザ部（すなわち、昇圧部）にて、回収したエネルギーを圧力エネルギーに変換して、噴射流体と吸引流体との混合流体を昇圧させる。

　例えば、特許文献１には、冷媒として二酸化炭素を採用し、サイクルの高圧側の冷媒の圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルに適用されて、冷媒減圧装置としての機能を果たすエジェクタが開示されている。

　この特許文献１のエジェクタは、ノズルとして、プラグノズルを採用している。プラグノズルは、ノズルの内部に形成されるノズル通路内に針状のニードルを配置し、このニードルに沿って流体を噴射するノズルである。特許文献１のエジェクタでは、プラグノズルを採用することによって、ノズルへ流入する冷媒の圧力変動によらず、噴射流体の膨張形態を適正膨張に近づけて、ノズルにおけるエネルギー変換効率を向上させようとしている。

　また、特許文献２には、内部を流通する流体のエネルギー損失を低減させるように吸引通路を形成したエジェクタが開示されている。

　ここで、一般的なエジェクタでは、ノズルの外周面とノズルが固定される円筒状のボデーの内周面との間に吸引通路が形成される。そこで、特許文献２のエジェクタでは、吸引流体と噴射流体との流れ方向をそろえるように、ボデーの吸引通路を形成する部位を曲面で形成している。これにより、特許文献２のエジェクタでは、吸引流体と噴射流体が混合する際のエネルギー損失（すなわち、混合損失）を低減させようとしている。

特開２００４－２７０４６０号公報 米国特許出願公開第２０１６／０１８７０３７号明細書

　ところで、吸引通路はノズルの外周面とボデーの内周面との間に形成されるので、引用文献２のように、ボデーの吸引通路を形成する部位を曲面状に形成しても、ノズルの外周面が適切な形状に形成されていなければ、吸引流体と噴射流体との流れ方向を適切にすることはできないおそれがある。

　これに対して、引用文献２では、ノズルとして、ラバールノズルを採用しているので、ノズルの外周面を適切な形状に加工しやすい。

　ラバールノズルは、内部に形成されるノズル通路として、流体流れ下流側へ向かうに伴って通路断面積を縮小させる先細部、先細部の流体流れ最下流部に形成されて通路断面積を最も縮小させる喉部、喉部から流体噴射口へ向かうに伴って通路断面積を拡大させる末広部が形成されたノズルである。このため、ノズル全体の中心軸方向の距離が比較的長くなり、外周面の形状を、吸引流の流れ方向が中心軸方向に導かれる所望の形状に加工しやすい。

　しかし、プラグノズルでは、噴射流体の膨張形態を適正膨張に近づけるために、喉部がノズル通路の最下流側に形成されている。従って、理想的なプラグノズルのノズル通路には、ラバールノズルの末広部に対応する通路が形成されていない場合がある。

　仮に、製造上の都合で、喉部よりも下流側に流体通路が形成されていたとしても、当該流体通路の中心軸方向の距離は、流体噴射口の開口径の２倍以下程度の短い距離となる。さらに、本発明者の試験検討によれば、当該流体通路の中心軸方向の距離が、流体噴射口の開口径の２倍以下になっていることで、ノズルにおけるエネルギー変換効率が理想的なプラグノズルと同等以上になることも確認されている。

　このため、特許文献１のようにプラグノズルを採用するエジェクタでは、ノズルの下流側の部位の外周面を適切な形状に加工しにくく、エネルギー損失を低減させるように吸引通路を形成しにくいという場合がある。ノズル全体を中心軸方向に拡張して、ノズルの外周面を適切な形状に加工する手段が考えられるが、このような手段では、エジェクタの大型化を招いてしまうおそれがある。

　本開示は、上記点に鑑み、ノズル通路の最下流側に喉部が形成されたノズルを備えるエジェクタにおいて、大型化を招くことなく、内部を流通する流体に生じるエネルギー損失を低減させたエジェクタを提供することを目的とする。

　本開示の第１態様によるエジェクタは、流体を減圧させて流体噴射口から噴射するノズルと、ボデーと、を備える。ボデーには、流体吸引口、混合部、昇圧部が形成される。流体吸引口は、流体噴射口から噴射された噴射流体の吸引作用によって流体を吸引する。混合部は、噴射流体と流体吸引口から吸引された吸引流体とを混合させる。昇圧部は、混合部から流出した混合流体の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する。ノズルの少なくとも一部は、ボデーの内部に収容されている。ノズルの外周面とボデーの内周面との間には、吸引流体を流通させる吸引通路が形成されている。混合部は、回転体形状に形成されて、ノズルの中心軸に同軸上に配置されている。ノズルの内部に形成されるノズル通路には、流体流れ下流側へ向かうに伴って通路断面積を縮小させる先細部、先細部の流体流れ最下流部に形成されて通路断面積を最も縮小させる喉部が形成されている。ノズル通路のうち、喉部から流体噴射口へ至る流体通路の中心軸方向の距離は、流体噴射口の開口径の２倍以下である。中心軸を含む断面を基準断面と定義する。基準断面においてノズルの外周面のうち吸引通路を形成する部位の描く線は、流体流れ下流側へ向かうに伴って中心軸に近づく形状になっている。基準断面においてノズルの外周面のうち吸引通路を形成する部位の最大径部が描く点および最小径部が描く点を通過するノズル外周側直線が、中心軸と交わる点をノズル外周側交点と定義する。ノズル外周側交点は、混合部の内部に位置付けられている。

　これによれば、喉部から流体噴射口へ至る流体通路の中心軸方向の距離が、流体噴射口の開口径の２倍以下となっているノズルを備えるエジェクタ、すなわち、ノズル通路の最下流側に喉部が形成されたノズルを備えるエジェクタの基準断面において、ノズル外周側交点が、混合部の内部に位置付けられている。

　従って、ノズルの外周面に沿って流れる吸引流体を、混合部の内部へ導いて、混合部内で噴射流体と合流させることができる。これにより、吸引流体と噴射流体が混合する際のエネルギー損失を低減させることができる。

　さらに、ノズル外周側交点が、混合部よりも流体流れ下流側に位置付けられる場合よりも、ノズルの外周面のうち吸引通路を形成する部位の中心軸方向の長さが拡大してしまうことを抑制することができる。

　すなわち、第１態様のエジェクタによれば、ノズル通路の最下流側に喉部が形成されたノズルを備えるエジェクタにおいて、大型化を招くことなく、内部を流通する流体に生じるエネルギー損失を低減させることができる。

　ここで、「喉部から流体噴射口へ至る流体通路の中心軸方向の距離は、流体噴射口の開口径の２倍以下であり、」は、当該流体通路の中心軸方向の距離が０になっていること、すなわち、喉部から流体噴射口へ至る流体通路が形成されていないことを含む意味である。但し、喉部から流体噴射口へ至る流体通路として末広部が形成される場合には、末広部の中心軸方向の距離は、０より大きい。

　本開示の第２態様によるエジェクタは、ボデーと、流体を減圧させて流体噴射口から噴射するノズルと、を備える。ボデーには、流体吸引口、混合部、昇圧部が形成される。流体吸引口は、流体噴射口から噴射された噴射流体の吸引作用によって流体を吸引する。混合部は、噴射流体と流体吸引口から吸引された吸引流体とを混合させる。昇圧部は、混合部から流出した混合流体の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する。ノズルの少なくとも一部は、ボデーの内部に収容されている。ノズルの外周面とボデーの内周面との間には、吸引流体を流通させる吸引通路が形成されている。混合部は、回転体形状に形成されて、ノズルの中心軸に同軸上に配置されている。ノズルの内部に形成されるノズル通路には、流体流れ下流側へ向かうに伴って通路断面積を縮小させる先細部、先細部の流体流れ最下流部に形成されて通路断面積を最も縮小させる喉部、喉部から流体噴射口へ向かうに伴って通路断面積を拡大させる末広部が形成されている。末広部の中心軸方向の距離は、流体噴射口の開口径の２倍以下である。中心軸を含む断面を基準断面と定義する。基準断面において末広部の最小径部が描く点および最大径部が描く点を通過するノズル内周側直線が、ボデーのうち混合部を形成する部位が描く線と交わっている。

　これによれば、末広部の中心軸方向の距離が、流体噴射口の開口径の２倍以下となっているノズルを備えるエジェクタ、すなわち、ノズル通路の最下流側に喉部が形成されたノズルを備えるエジェクタの基準断面において、ノズル内周側直線が、ボデーのうち混合部を形成する部位が描く線と交わっている。

　従って、末広部の内周面に沿って流れる噴射流体を混合部の内部へ導いて、混合部内で噴射流体と合流させることができる。これにより、吸引流体と噴射流体が混合する際のエネルギー損失を低減させることができる。

　さらに、末広部の中心軸方向の距離が、流体噴射口の開口径の２倍以下となっているので、ノズルの外周面のうち吸引通路を形成する部位の中心軸方向の長さが拡大してしまうことを抑制することができる。

　すなわち、第２態様のエジェクタによれば、ノズル通路の最下流側に喉部が形成されたノズルを備えるエジェクタにおいて、大型化を招くことなく、内部を流通する流体に生じるエネルギー損失を低減させることができる。

第１実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルの全体構成図である。 第１実施形態のエジェクタの軸方向断面図である。 図２のＩＩＩ部の模式的な拡大断面図である。 第１実施形態のエジェクタの変形例を示す模式的な拡大断面図である。 第１実施形態のエジェクタの別の変形例を示す模式的な拡大断面図である。 第２実施形態のエジェクタの模式的な拡大断面図である 他の実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルの全体構成図である。

　以下に、図面を参照しながら本開示を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各実施形態で具体的に組合せが可能であることを明示している部分同士の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、明示してなくとも実施形態同士を部分的に組み合せることも可能である。

　（第１実施形態）
　図１～図５を用いて、本開示の第１実施形態を説明する。本実施形態のエジェクタ１４は、図１に示すように、エジェクタを備える蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置であるエジェクタ式冷凍サイクル１０に適用されている。さらに、エジェクタ式冷凍サイクル１０は、タンクに貯湯された給湯水を生活用水として台所や風呂等へ供給するヒートポンプ式給湯機において、給湯水を加熱する機能を果たす。

　従って、エジェクタ式冷凍サイクル１０の熱交換対象流体は、給湯水である。さらに、エジェクタ１４が噴射、吸引、あるいは昇圧させる流体は、エジェクタ式冷凍サイクル１０の冷媒である。

　エジェクタ式冷凍サイクル１０では、冷媒として二酸化炭素を採用している。さらに、エジェクタ式冷凍サイクル１０は、圧縮機１１から吐出された冷媒（すなわち、サイクルの高圧側の冷媒）の圧力が冷媒の臨界圧力以上となる超臨界冷凍サイクルを構成している。このため、エジェクタ式冷凍サイクル１０では、給湯水を９０℃以上の高温に加熱することができる。

　エジェクタ式冷凍サイクル１０の構成機器のうち、圧縮機１１は、冷媒を吸入して高圧冷媒となるまで昇圧して吐出するものである。本実施形態では、圧縮機１１として、固定容量型圧縮機構を電動モータで駆動する電動圧縮機を採用している。圧縮機１１の回転数（すなわち、冷媒吐出能力）は、図示しない制御装置から出力される制御信号によって制御される。

　圧縮機１１の冷媒吐出口には、水－冷媒熱交換器１２の冷媒通路の入口側が接続されている。水－冷媒熱交換器１２は、圧縮機１１から吐出された高圧冷媒の有する熱を水循環回路２０を循環する給湯水へ放熱させる放熱器であり、給湯水を加熱する加熱用熱交換器としての機能を果たす。水循環回路２０には、給湯水を圧送する水ポンプ、加熱された給湯水を貯湯するタンク（いずれも図示せず。）等が配置されている。

　水－冷媒熱交換器１２の冷媒通路の出口には、電気式膨張弁１３の入口側が接続されている。電気式膨張弁１３は、水－冷媒熱交換器１２から流出した高圧冷媒を中間圧冷媒となるまで減圧させる可変絞り機構である。さらに、電気式膨張弁１３は、下流側に流出させる冷媒流量を調整する流量調整装置としての機能を兼ね備えている。電気式膨張弁１３の絞り開度は、制御装置から出力される制御信号によって制御される。

　電気式膨張弁１３の出口には、エジェクタ１４のノズル４１の入口側が接続されている。エジェクタ１４は、電気式膨張弁１３から流出した中間圧冷媒を低圧冷媒となるまで減圧させる冷媒減圧装置である。さらに、エジェクタ１４は、ノズル４１から高速度で噴射される噴射冷媒の吸引作用によって、後述する蒸発器１６から流出した冷媒を吸引して輸送する冷媒輸送装置としての機能を兼ね備えている。

　エジェクタ１４の詳細構成は、図２、図３を用いて説明する。エジェクタ１４は、ノズル４１、ボデー４２を有している。

　ノズル４１は、入口４１ａから内部へ流入した冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換するものである。ノズル４１は、入口４１ａから内部へ流入した冷媒を等エントロピ的に減圧させて、冷媒流れ最下流部に配置された冷媒噴射口４１ｅから噴射する。ノズル４１の先端側は、冷媒の流れ方向へ向かうに伴って先細る略円筒状の金属（本実施形態では、ステンレス合金）で形成されている。

　ノズル４１の内部に形成されるノズル通路には、先細部４１ｂ、喉部４１ｃ等が形成されている。先細部４１ｂは、入口４１ａ側から冷媒流れ下流側へ向かうに伴って通路断面積を縮小させる部位である。喉部４１ｃは、先細部４１ｂの冷媒流れ最下流部に形成されて通路断面積を最も縮小させる部位である。さらに、ノズル４１には、製造上の都合で、喉部４１ｃから冷媒噴射口４１ｅへ至る範囲に冷媒通路４１ｄが形成されている。

　ここで、冷媒通路４１ｄの通路断面積は、喉部４１ｃと同等となる。このため、冷媒が冷媒通路４１ｄを流通する際に生じる摩擦によるエネルギー損失は比較的大きくなりやすい。従って、理想的なノズル４１では、冷媒通路４１ｄが形成されることなく、喉部４１ｃと冷媒噴射口４１ｅが一致していることが望ましい。ところが、喉部４１ｃと冷媒噴射口４１ｅを精度良く一致させることは、製造コストの増大等を招きやすい。

　そこで、本実施形態のノズル４１では、冷媒通路４１ｄが形成されているものの、ノズル４１冷媒噴射口４１ｅの外周部（すなわち、ノズル４１の先端部）に面取り加工等を施している。これにより、冷媒通路４１ｄの形成される範囲のノズル４１の中心軸ＣＬ方向の距離を、冷媒噴射口４１ｅの開口径φＤの２倍以下となるようにしている。従って、本実施形態のノズル４１は、ノズル通路の最下流側に喉部４１ｃが形成されたノズルである。

　さらに、本発明者の試験検討によれば、流体通路４１ｄの中心軸方向の距離を流体噴射口の開口径の２倍以下にしておくことで、ノズル４１におけるエネルギー変換効率が、喉部４１ｃと冷媒噴射口４１ｅを一致させた理想的なノズル４１と同等以上になることも確認されている。

　つまり、冷媒通路４１ｄの形成される範囲のノズル４１の中心軸ＣＬ方向の距離を、冷媒噴射口４１ｅの開口径φＤの２倍以下にすることは、実用上実現可能な範囲で、ノズル４１を理想的な形状に近づけていることを意味している。

　また、ノズル４１の先端部に形成された面取り加工部は、エジェクタ１４の性能に影響を及ぼさない程度の微小な部位である。従って、ノズル４１の先端部に形成された面取り加工部は、ノズル４１の外周面のうち、後述する吸引通路４２ｃを形成する部位には含まれないものとする。

　次に、ボデー４２は、略円筒状の金属（本実施形態では、アルミニウム）で形成されている。ボデー４２は、ノズル４１を支持固定する固定部材として機能するとともに、エジェクタ１４の外殻を形成するものである。具体的には、ノズル４１は、ボデー４２の長手方向一端側の内部に収容されるように圧入等によって固定されている。

　ボデー４２の外周側面のうち、ノズル４１の外周側の部位には、その内外を貫通してノズル４１の冷媒噴射口４１ｅと連通するように設けられた冷媒吸引口４２ａが形成されている。冷媒吸引口４２ａは、ノズル４１の冷媒噴射口４１ｅから噴射された噴射冷媒の吸引作用によって、蒸発器１６から流出した冷媒をエジェクタ１４の内部へ吸引する貫通穴である。

　ボデー４２の内部には、混合部４２ｂ、吸引通路４２ｃ、ディフューザ部４２ｄが形成されている。混合部４２ｂは、冷媒噴射口４１ｅから噴射された噴射冷媒と冷媒吸引口４２ａから吸引された吸引冷媒とを混合させる空間である。混合部４２ｂは、円柱状の回転体形状に形成されている。混合部４２ｂは、ノズル４１の冷媒流れ下流側に配置されている。混合部４２ｂの中心軸は、ノズル４１の中心軸ＣＬと同軸上に配置されている。

　吸引通路４２ｃは、冷媒吸引口４２ａから吸引された吸引冷媒を混合部４２ｂへ導く冷媒通路である。吸引通路４２ｃは、ノズル４１の先細り形状の先端部側の外周面とボデー４２の内周面との間の空間によって形成されている。このため、吸引通路４２ｃの中心軸ＣＬに垂直な断面形状は円環状に形成されている。さらに、吸引通路４２ｃの冷媒出口は、冷媒噴射口４１ｅの外周側に円環状に開口している。

　ディフューザ部４２ｄは、噴射冷媒と吸引冷媒との混合冷媒の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する空間である。換言すると、混合冷媒の流速を減速させて、混合冷媒を昇圧させる昇圧部である。

　ディフューザ部４２ｄは、混合部４２ｂの出口に連続するように配置されて、冷媒流れ下流側へ向かって通路断面積を拡大させるように形成された空間である。ディフューザ部４２ｄは、略円錐台状の回転体形状に形成されている。ディフューザ部４２ｄの中心軸は、ノズル４１の中心軸ＣＬと同軸上に配置されている。

　次に、図３を用いて、エジェクタ１４のノズル４１およびボデー４２の詳細形状を説明する。まず、ノズル４１の中心軸ＣＬを含む断面を基準断面と定義する。従って、図２、図３は、いずれも基準断面におけるエジェクタ１４の軸方向断面図である。

　図３に示すように、本実施形態では、ノズル４１の外周面のうち吸引通路４２ｃを形成する部位の描く線は、冷媒流れ下流側へ向かうに伴って中心軸ＣＬに近づく形状になっている。さらに、ボデー４２の内周面のうち吸引通路４２ｃを形成する部位の描く線は、冷媒流れ下流側へ向かうに伴って中心軸ＣＬに近づく形状になっている。このため、吸引通路４２ｃは、冷媒流れ下流側へ向かうに伴って通路断面積を縮小させる。

　そして、基準断面において、ノズル４１の外周面のうち吸引通路４２ｃを形成する部位の最大径部が描く点Ｐｍｘ１および最小径部が描く点Ｐｍｎ１を通過する線を、ノズル外周側直線Ｌ１と定義する。さらに、ノズル外周側直線Ｌ１が、中心軸ＣＬと交わる点をノズル外周側交点Ｐ１と定義する。

　本実施形態では、基準断面において、ノズル外周側直線Ｌ１は、混合部４２ｂを形成する部位が描く線と交わっている。さらに、基準断面において、ノズル外周側交点Ｐ１は、混合部４２ｂの内部に位置付けられている。換言すると、ノズル外周側交点Ｐ１は、混合部４２ｂの入口部よりも冷媒流れ下流側に位置付けられている。

　また、基準断面において、ボデー４２の内周面のうち吸引通路４２ｃを形成する部位の最大径部が描く点Ｐｍｘ２および最小径部が描く点Ｐｍｎ２を通過する線を、ボデー内周側直線Ｌ２と定義する。さらに、ボデー内周側直線Ｌ２が、ノズル外周側直線Ｌ１と交わる点を吸引通路交点Ｐ２と定義する。

　本実施形態では、基準断面において、吸引通路交点Ｐ２は、混合部４２ｂの内部であって中心軸ＣＬ上に位置付けられている。換言すると、吸引通路交点Ｐ２は、混合部４２ｂの入口部よりも冷媒流れ下流側の中心軸ＣＬ上に位置付けられている。このため、本実施形態では、基準断面において、ノズル外周側交点Ｐ１と吸引通路交点Ｐ２が一致している。

　次に、ディフューザ部４２ｄの冷媒出口には、図１に示すように、アキュムレータ１５の入口側が接続されている。アキュムレータ１５は、ディフューザ部４２ｄから流出した冷媒の気液を分離する気液分離部である。さらに、アキュムレータ１５は、分離された液相冷媒の一部をサイクル内の余剰冷媒として蓄える貯液部としての機能を兼ね備えている。

　アキュムレータ１５の気相冷媒流出口には、圧縮機１１の吸入口側が接続されている。一方、アキュムレータ１５の液相冷媒流出口には、減圧部としての固定絞り１５ａを介して、蒸発器１６の冷媒入口側が接続されている。この固定絞り１５ａとしては、オリフィス、キャピラリーチューブ等を採用することができる。

　蒸発器１６は、固定絞り１５ａにて減圧された低圧冷媒と外気ファン１６ａから送風された外気とを熱交換させることによって、低圧冷媒を蒸発させて吸熱作用を発揮させる吸熱用熱交換器である。蒸発器１６の冷媒出口は、エジェクタ１４の冷媒吸引口４２ａ側に接続されている。外気ファン１６ａは、制御装置から出力される制御電圧によって、回転数（すなわち、送風能力）が制御される電動送風機である。

　次に、図示しない制御装置は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成される。制御装置は、そのＲＯＭ内に記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行う。そして、出力側に接続された各種電気式のアクチュエータ１１、１３、１６ａの作動を制御する。

　制御装置には、外気温センサ、高圧センサ、給湯水温度センサ等の複数の制御用のセンサ群が接続され、これらのセンサ群の検出値が入力される。具体的には、外気温センサは、外気温を検出する外気温検出部である。高圧センサは、水－冷媒熱交換器１２から流出した高圧冷媒の圧力を検出する高圧冷媒圧力検出部である。タンク温度センサは、タンク内に貯湯された給湯水の温度を検出する給湯水温度検出部である。

　さらに、制御装置の入力側には、住居内に配置された図示しない操作パネルが接続され、この操作パネルに設けられた各種操作スイッチからの操作信号が制御装置へ入力される。操作パネルに設けられた各種操作スイッチとしては、ヒートポンプ式給湯機の作動を要求する作動スイッチ、タンクへ蓄えられる給湯水の温度を調整する温度調整スイッチ等が設けられている。

　なお、本実施形態の制御装置は、その出力側に接続された各種の制御対象機器の作動を制御する制御部が一体に構成されたものであるが、制御装置のうち、各制御対象機器の作動を制御する構成（ハードウェアおよびソフトウェア）が各制御対象機器の制御部を構成している。例えば、圧縮機１１の冷媒吐出能力を制御する構成が、吐出能力制御部を構成している。

　次に、上記構成における本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル１０の作動を説明する。まず、操作パネルの作動スイッチが投入（ＯＮ）されると、制御装置が圧縮機１１、電気式膨張弁１３、外気ファン１６ａ等を作動させる。これにより、圧縮機１１が冷媒を吸入し、圧縮して吐出する。

　圧縮機１１から吐出された高温高圧冷媒は、水－冷媒熱交換器１２の冷媒通路へ流入し、水循環回路２０を循環する給湯水と熱交換する。これにより、給湯水が加熱される。加熱された給湯水は、水循環回路２０に接続されたタンクに貯えられる。この際、圧縮機１１の回転数（すなわち、冷媒吐出能力）は、外気温センサの検出値等に基づいて、予め制御装置に記憶されている制御マップを参照して決定される。

　水－冷媒熱交換器１２の冷媒通路から流出した冷媒は、電気式膨張弁１３にて減圧されて中間圧冷媒となる。この際、電気式膨張弁１３の絞り開度は、高圧センサの検出値等に基づいて、予め制御装置に記憶されている制御マップを参照して決定される。この制御マップでは、サイクルの成績係数（ＣＯＰ）が極大値に近づくように電気式膨張弁１３の絞り開度を決定する。

　電気式膨張弁１３にて減圧された中間圧冷媒は、エジェクタ１４のノズル４１の入口４１ａへ流入する。エジェクタ１４のノズル４１へ流入した冷媒は、等エントロピ的に減圧されて、冷媒噴射口４１ｅから噴射される。

　そして、ノズル４１の冷媒噴射口４１ｅから噴射された噴射冷媒の吸引作用によって、蒸発器１６から流出した冷媒が、冷媒吸引口４２ａから吸引される。冷媒吸引口４２ａから吸引された吸引冷媒は、吸引通路４２ｃを介して混合部４２ｂへ流入し、噴射冷媒と混合される。

　混合部４２ｂにて混合された冷媒は、ディフューザ部４２ｄへ流入する。ディフューザ部４２ｄでは通路断面積の拡大により、混合冷媒の運動エネルギーが圧力エネルギーに変換される。これにより、混合冷媒の圧力が上昇する。ディフューザ部４２ｄから流出した冷媒は、アキュムレータ１５へ流入して、気液分離される。

　アキュムレータ１５にて分離された液相冷媒は、固定絞り１５ａにて減圧されて蒸発器１６へ流入する。蒸発器１６へ流入した冷媒は、外気ファン１６ａから送風された外気から吸熱して蒸発する。蒸発器１６から流出した冷媒は、エジェクタ１４の冷媒吸引口４２ａから吸引される。一方、アキュムレータ１５にて分離された気相冷媒は、圧縮機１１へ吸入されて再び圧縮される。

　本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル１０は、以上の如く作動して、ヒートポンプ式給湯機において、タンクへ貯湯される給湯水を加熱することができる。

　この際、エジェクタ式冷凍サイクル１０では、エジェクタ１４のディフューザ部４２ｄにて昇圧された冷媒を圧縮機１１へ吸入させている。従って、エジェクタ式冷凍サイクル１０によれば、蒸発器における冷媒蒸発圧力と圧縮機吸入冷媒の圧力が略同等となる通常の冷凍サイクル装置よりも、圧縮機１１の消費動力を低減させて、サイクルの成績係数（ＣＯＰ）を向上させることができる。

　さらに、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル１０では、基準断面において、ノズル外周側交点Ｐ１が、混合部４２ｂの入口部よりも冷媒流れ下流側に位置付けられたエジェクタ１４を採用しているので、一般的なエジェクタよりもディフューザ部４２ｄにおける昇圧量を増大させて、エジェクタ式冷凍サイクル１０のＣＯＰを、より一層向上させることができる。

　このことをより詳細に説明すると、本実施形態のエジェクタ１４では、図３に示すように、基準断面において、ノズル外周側交点Ｐ１が、混合部４２ｂの内部に位置付けられているので、大型化を招くことなく、吸引流体の主流の流れ方向と噴射流体の主流の流れ方向との角度を縮小させて、エネルギー損失を低減させやすい。

　ここで、ノズル外周側交点Ｐ１が、混合部４２ｂよりも冷媒流れ上流側に位置付けられていると、吸引冷媒と噴射冷媒が混合部４２ｂの冷媒流れ上流側で合流してしまう。このため、混合部４２ｂへ流入する前の混合冷媒の流れに乱れが生じ、渦流れ等が発生してしまう。その結果、混合冷媒と吸引通路４２ｃを形成する壁面との摩擦によって、冷媒のエネルギー損失を増大させてしまう。

　一方、ノズル外周側交点Ｐ１が、混合部４２ｂよりも冷媒流れ下流側に位置付けられていると、吸引流体の主流の流れ方向と噴射流体の主流の流れ方向との角度を縮小させてエネルギー損失を低減させやすくなるものの、ノズル４１の吸引通路４２ｃを形成する部位の中心軸ＣＬ方向の寸法が拡大してしまう。その結果、エジェクタ１４全体としての大型化を招きやすい。

　これに対して、本実施形態のエジェクタ１４によれば、ノズル外周側交点Ｐ１が、混合部４２ｂの内部に位置付けられているので、ノズル４１の外周面に沿って流れる吸引流体を混合部４２ｂの内部へ導いて、混合部４２ｂ内で噴射流体と合流させることができる。従って、吸引流体と噴射流体が混合部４２ｂよりも流体流れ上流側で混合してしまうことによるエネルギー損失の増加を抑制できる。さらに、ノズル４１の中心軸ＣＬ方向の長さが不必要に拡大してしまうこともない。

　すなわち、本実施形態のエジェクタ１４によれば、大型化を招くことなく、内部を流通する冷媒に生じるエネルギー損失を低減させることができる。その結果、エジェクタ１４の昇圧量を増大させることができ、適用されたエジェクタ式冷凍サイクル１０のＣＯＰをより一層向上させることができる。

　また、本実施形態のエジェクタ１４では、ノズル通路の最下流側に喉部４１ｃが形成されたノズル４１を採用している。従って、冷媒が喉部４１ｃよりも下流側を流通する際の摩擦によるエネルギー損失を低減させることができる。その結果、内部を流通する冷媒に生じるエネルギー損失を、より一層低減させることができる。

　また、本実施形態のエジェクタ１４では、基準断面において、ノズル外周側直線Ｌ１は、ボデー４２のうち混合部４２ｂを形成する部位が描く線と交わっている。これによれば、ノズル外周側交点Ｐ１を確実に混合部４２ｂの内部に位置付けることができる。

　また、本実施形態のエジェクタ１４では、吸引通路交点Ｐ２が、混合部４２ｂの内部であって、中心軸ＣＬ上に位置付けられている。これによれば、ボデー４２の内周面に沿って流れる吸引流体を混合部４２ｂの内部へ導いて、混合部４２ｂ内で噴射流体と合流させることができる。その結果、より一層、吸引流体と噴射流体が混合する際のエネルギー損失を低減させることができる。

　ここで、本実施形態では、基準断面において、吸引通路交点Ｐ２が中心軸ＣＬ上に位置付けられており、ノズル外周側交点Ｐ１と一致している例を説明したが、吸引通路交点Ｐ２は、吸引通路交点Ｐ２は混合部４２ｂの内部であれば、図４、図５の変形例に示すように位置付けられていてもよい。なお、図４、図５は、いずれも図３に対応する図面である。

　例えば、図４では、基準断面において、吸引通路交点Ｐ２が、混合部４２ｂの内部であって、中心軸ＣＬを超えた位置に位置付けられている。すなわち、吸引通路交点Ｐ２が、ボデー内周側直線Ｌ２と中心軸ＣＬとの交点よりも冷媒流れ下流側に位置付けられている。これによれば、吸引流体の主流の流れ方向と噴射流体の主流の流れ方向との角度を縮小させて、エネルギー損失を低減させやすい。

　例えば、図５では、基準断面において、吸引通路交点Ｐ２が、混合部４２ｂの内部であって、中心軸ＣＬを超えない位置に位置付けられている。すなわち、吸引通路交点Ｐ２が、ボデー内周側直線Ｌ２と中心軸ＣＬとの交点よりも冷媒流れ上流側に位置付けられている。これによれば、吸引流体の主流方向と噴射流体の主流方向とのなす角度を拡大させて、吸引流体と噴射流体との混合性を向上させることができる。

　つまり、吸引通路交点Ｐ２の位置は、吸引流体と噴射流体とのエネルギー損失の低減効果および混合性向上効果のうち、優先される効果に応じて適宜決定することができる。

　また、本実施形態のエジェクタ１４による優れた効果、すなわち、大型化を招くことなく、内部を流通する冷媒に生じるエネルギー損失を低減させる効果は、ノズル４１の外周面のうち吸引通路４２ｃを形成する部位の形状が、吸引流体の流れ方向に影響を与えやすいエジェクタにおいて有効である。

　このようなエジェクタとして、例えば、吸引通路４２ｃの通路断面積あるいは混合部４２ｂの通路断面積が比較的小さくなる小型のエジェクタ、ノズル４１の外径とボデー４２の混合部４２ｂを形成する部位の内径が略同等あるいは同一の寸法となるエジェクタ、および冷媒噴射口４１ｅから混合部４２ｂの入口へ至る距離が比較的小さくなる（例えば、混合部４２ｂの内径の５倍未満となる）エジェクタ等がある。

　（第２実施形態）
　本実施形態では、図６に示すように第１実施形態に対してノズル４１を変更した例を説明する。なお、図６は、第１実施形態で説明した図３に対応する図面である。図６では、第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付している。

　本実施形態のノズル通路には、喉部４１ｃから冷媒噴射口４１ｅへ向かうに伴って通路断面積を拡大させる末広部４１ｇが形成されている。さらに、末広部４１ｇの中心軸ＣＬ方向の距離を、冷媒噴射口４１ｅの開口径φＤの２倍以下となるように形成している。このため、本実施形態のノズル４１も、ノズル通路の最下流側に喉部４１ｃが形成されたノズルである。

　また、基準断面において、末広部４１ｇの最小径部Ｐｍｎ３が描く点および最大径部が描く点Ｐｍｘ３を通過する線を、ノズル内周側直線Ｌ３と定義する。さらに、ノズル内周側直線Ｌ３が、ノズル外周側直線Ｌ１と交わる点をノズル形状交点Ｐ３と定義する。

　本実施形態では、基準断面において、ノズル内周側直線Ｌ３は、混合部４２ｂを形成する部位が描く線と交わっている。さらに、ノズル形状交点Ｐ３は、混合部４２ｂの内部に位置付けられている。換言すると、ノズル形状交点Ｐ３は、混合部４２ｂの入口部よりも冷媒流れ下流側に位置付けられている。その他のエジェクタ１４およびエジェクタ式冷凍サイクル１０の構成および作動は、第１実施形態と同様である。

　従って、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル１０によれば、第１実施形態と同様に、ヒートポンプ式給湯機において、タンクへ貯湯される給湯水を加熱することができる。また、本実施形態のエジェクタ１４によれば、第１実施形態と同様に、大型化を招くことなく、内部を流通する冷媒に生じるエネルギー損失を低減させることができる。

　さらに、本実施形態のエジェクタ１４では、図６に示すように、基準断面において、ノズル内周側直線Ｌ３が、ボデー４２のうち混合部４２ｂを形成する部位が描く線と交わっている。これによれば、末広部４１ｇの内周面に沿って流れる噴射流体を混合部４２ｂの内部へ導いて、混合部４２ｂ内で噴射流体と合流させることができるので、吸引流体と噴射流体が混合する際のエネルギー損失を低減させることができる。

　これに加えて、末広部４１ｇの中心軸ＣＬ方向の距離が、冷媒噴射口４１ｅの開口径φＤの２倍以下となっているので、ノズル４１の中心軸ＣＬ方向の長さが不必要に拡大してしまうこともない。

　また、本実施形態のエジェクタ１４によれば、ノズル形状交点Ｐ３が、混合部４２ｂの内部に位置付けられているので、ボデー４２の内周面に沿って流れる吸引流体を混合部４２ｂの内部へ導いて、混合部４２ｂ内で噴射流体と合流させることができる。その結果、より一層、吸引流体と噴射流体が混合する際のエネルギー損失を低減させることができる。

　また、本実施形態のエジェクタ１４の末広部４１ｇの形状による優れた効果、すなわち、大型化を招くことなく、内部を流通する冷媒に生じるエネルギー損失を低減させる効果は、ノズル４１の外周面のうち吸引通路４２ｃを形成する部位の形状が、吸引流体の流れ方向に影響を与えやすいエジェクタにおいて有効である。

　このようなエジェクタとして、例えば、吸引通路４２ｃの通路断面積あるいは混合部４２ｂの通路断面積が比較的小さくなる小型のエジェクタ、および冷媒噴射口４１ｅから混合部４２ｂの入口へ至る距離が比較的小さくなる（例えば、混合部４２ｂの内径の５倍未満となる）エジェクタ等がある。

　本開示は上述の実施形態に限定されることなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。

　上述の実施形態では、本開示に係るエジェクタ１４をエジェクタ式冷凍サイクル１０に適用した例を説明したが、本開示に係るエジェクタ１４の適用はこれに限定されない。エジェクタ式冷凍サイクル以外の用途に適用してもよい。

　また、エジェクタ式冷凍サイクル１０の適用対象は、ヒートポンプ式給湯機に限定されることなく、熱交換対象流体として空調対象空間へ送風される送風空気の温度を調整する空調装置、熱交換対象流体として冷凍庫内へ循環送風される送風空気を冷却する冷凍コンテナ等に広く適用可能である。

　また、本開示に係るエジェクタ１４を適用可能なエジェクタ式冷凍サイクルのサイクル構成は、上述の実施形態に開示されたものに限定されない。

　例えば、図７に示すように、水－冷媒熱交換器１２の冷媒通路から流出した冷媒の流れを分岐する分岐部１７と、エジェクタ１４から流出した冷媒を蒸発させる第２蒸発器１８とを備え、分岐部１７の一方の冷媒出口をエジェクタ１４のノズル４１の入口４１ａへ接続し、分岐部１７の一方の冷媒出口を固定絞り１５ａを介して第１蒸発器１６の冷媒入口側へ接続し、さらに、エジェクタ１４のディフューザ部４２ｄの出口を、第２蒸発器１８を介して圧縮機１１の吸入口側へ接続するサイクル構成であってもよい。

　エジェクタ１４の構成は、上述の実施形態に開示されたものに限定されない。

　例えば、第１実施形態では、冷媒通路４１ｄが形成されているものについて説明したが、製造可能であれば、冷媒通路４１ｄおよびノズル４１の先端部の面取り加工部が形成されていなくてもよい。

　また、上述の実施形態では、ノズル４１の外周面のうち吸引通路４２ｃを形成する部位の描く線が直線になっているものを採用しているが、当該部位の描く線は、直線に限定されず、曲線であってもよい。同様に、ボデー４２の内周面のうち吸引通路４２ｃを形成する部位の描く線が直線になっているものを採用しているが、当該部位の描く線は、直線に限定されず、曲線であってもよい。

　また、上述の実施形態では、混合部４２ｂを円柱状に形成した例を説明したが、混合部４２ｂを、ディフューザ部４２ｄと同様に、冷媒流れ下流側へ向かって通路断面積を拡大させる円錐台状に形成してもよい。この場合は、混合部４２ｂの広がり角度（換言すると、通路断面積の広がり度合）を、ディフューザ部４２ｄの広がり角度（換言すると、通路断面積の広がり度合）よりも小さくすればよい。

　さらに、基準断面において、ボデー４２の内周面のうちディフューザ部４２ｄを形成する部位の描く線は、複数の曲線を組み合わせて形成されたものであってもよい。例えば、ディフューザ部４２ｄの通路断面積の広がり度合が流体流れ方向に向かって徐々に大きくなった後に再び小さくなっていてもよい。これにより、ディフューザ部４２ｄにて、流体を等エントロピ的に昇圧させることができる。

　また、上述の実施形態では、電気式膨張弁１３を採用した例を説明したが、エジェクタ１４に流量調整の可変機構を持たせてもよい。例えば、ノズル４１のノズル通路内にニードル状の弁体部を配置する。そして、弁体部の中心軸をノズル４１の中心軸ＣＬと同軸上に配置する。さらに、ボデー４２に、弁体部を中心軸ＣＬ方向に変位させる駆動装置（例えば、ステッピングモータ）を配置する。

　これによれば、駆動装置が弁体部を変位させることによって喉部４１ｃの通路断面積を変化させることができる。そして、エジェクタ１４が流量調整装置としての機能を兼ね備えることができる。

　さらに、駆動装置の有無によらず、ニードル状の弁体部をノズル４１の冷媒噴射口４１ｅから冷媒流れ下流側に突出するように配置してもよい。これによれば、プラグノズルとして、噴射冷媒の膨張形態を適正膨張に近づけることができ、ノズル４１におけるエネルギー変換効率をより一層向上させることができる。

　また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせることができる。例えば、第２実施形態で説明したエジェクタ１４において、第１実施形態の変形例で説明したように、吸引通路交点Ｐ２の位置を変更してもよい。

　本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態が本開示に示されているが、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

Claims (6)

1. 　流体を減圧させて流体噴射口（４１ｅ）から噴射するノズル（４１）と、
   　前記流体噴射口から噴射された噴射流体の吸引作用によって流体を吸引する流体吸引口（４２ａ）、前記噴射流体と前記流体吸引口から吸引された吸引流体とを混合させる混合部（４２ｂ）、および前記混合部から流出した混合流体の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する昇圧部（４２ｄ）が形成されたボデー（４２）と、を備え、
   　前記ノズルの少なくとも一部は、前記ボデーの内部に収容されており、
   　前記ノズルの外周面と前記ボデーの内周面との間には、前記吸引流体を流通させる吸引通路（４２ｃ）が形成されており、
   　前記混合部は、回転体形状に形成されて、前記ノズルの中心軸（ＣＬ）に同軸上に配置されており、
   　前記ノズルの内部に形成されるノズル通路には、流体流れ下流側へ向かうに伴って通路断面積を縮小させる先細部（４１ｂ）、前記先細部の流体流れ最下流部に形成されて通路断面積を最も縮小させる喉部（４１ｃ）が形成されており、
   　前記ノズル通路のうち、前記喉部から前記流体噴射口へ至る流体通路の前記中心軸（ＣＬ）方向の距離は、前記流体噴射口の開口径（φＤ）の２倍以下であり、
   　前記中心軸（ＣＬ）を含む断面を基準断面と定義したときに、
   　前記基準断面において前記ノズルの外周面のうち前記吸引通路を形成する部位の描く線は、流体流れ下流側へ向かうに伴って前記中心軸（ＣＬ）に近づく形状になっており、
   　前記基準断面において前記ノズルの外周面のうち前記吸引通路を形成する部位の最大径部が描く点（Ｐｍｘ１）および最小径部が描く点（Ｐｍｎ１）を通過するノズル外周側直線（Ｌ１）が、前記中心軸（ＣＬ）と交わる点をノズル外周側交点（Ｐ１）と定義したときに、
   　前記ノズル外周側交点（Ｐ１）は、前記混合部の内部に位置付けられているエジェクタ。
2. 　前記基準断面において前記ノズル外周側直線（Ｌ１）は、前記ボデーのうち前記混合部を形成する部位が描く線と交わっている請求項１に記載のエジェクタ。
3. 　前記基準断面において前記ボデーの内周面のうち前記吸引通路を形成する部位の描く線は、流体流れ下流側へ向かうに伴って前記中心軸（ＣＬ）に近づく形状になっており、
   　前記基準断面において前記ボデーの内周面のうち前記吸引通路を形成する部位の最大径部が描く点（Ｐｍｘ２）および最小径部が描く点（Ｐｍｎ２）を通過するボデー内周側直線（Ｌ２）が、前記ノズル外周側直線（Ｌ１）と交わる点を吸引通路交点（Ｐ２）と定義したときに、
   　前記吸引通路交点（Ｐ２）は、前記混合部の内部に位置付けられている請求項１または２に記載のエジェクタ。
4. 　前記ノズル通路には、前記喉部から前記流体噴射口へ向かうに伴って通路断面積を拡大させる末広部（４１ｇ）が形成されており、
   　前記基準断面において前記末広部の最小径部が描く点（Ｐｍｎ３）および最大径部が描く点（Ｐｍｘ３）を通過するノズル内周側直線（Ｌ３）が、前記ボデーのうち前記混合部を形成する部位が描く線と交わっている請求項１ないし３のいずれか１つに記載のエジェクタ。
5. 　流体を減圧させて流体噴射口（４１ｅ）から噴射するノズル（４１）と、
   　前記流体噴射口から噴射された噴射流体の吸引作用によって流体を吸引する流体吸引口（４２ａ）、前記噴射流体と前記流体吸引口から吸引された吸引流体とを混合させる混合部（４２ｂ）、および混合部から流出した混合流体の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換する昇圧部（４２ｄ）が形成されたボデー（４２）と、を備え、
   　前記ノズルの少なくとも一部は、前記ボデーの内部に収容されており、
   　前記ノズルの外周面と前記ボデーの内周面との間には、前記吸引流体を流通させる吸引通路（４２ｃ）が形成されており、
   　前記混合部は、回転体形状に形成されて、前記ノズルの中心軸（ＣＬ）に同軸上に配置されており、
   　前記ノズルの内部に形成されるノズル通路には、流体流れ下流側へ向かうに伴って通路断面積を縮小させる先細部（４１ｂ）、前記先細部の流体流れ最下流部に形成されて通路断面積を最も縮小させる喉部（４１ｃ）、前記喉部から前記流体噴射口へ向かうに伴って通路断面積を拡大させる末広部（４１ｇ）が形成されており、
   　前記末広部（４１ｇ）の前記中心軸（ＣＬ）方向の距離は、前記流体噴射口の開口径（φＤ）の２倍以下であり、
   　前記中心軸（ＣＬ）を含む断面を基準断面と定義したときに、
   　前記基準断面において前記末広部の最小径部が描く点（Ｐｍｎ３）および最大径部が描く点（Ｐｍｘ３）を通過するノズル内周側直線（Ｌ３）が、前記ボデーのうち前記混合部を形成する部位が描く線と交わっているエジェクタ。
6. 　前記基準断面において前記ノズルの外周面のうち前記吸引通路を形成する部位の描く線は、流体流れ方向に向かうに伴って、前記中心軸（ＣＬ）に近づく形状になっており、
   　前記基準断面において前記ノズルの外周面のうち前記吸引通路を形成する部位の最大径部が描く点（Ｐｍｘ１）および最小径部が描く点（Ｐｍｎ１）を通過するノズル外周側直線（Ｌ１）が、前記ノズル内周側直線（Ｌ３）と交わる点をノズル形状交点（Ｐ３）と定義したときに、
   　前記ノズル形状交点（Ｐ３）は、前記混合部の内部に位置付けられている請求項４または５に記載のエジェクタ。

Images