JP4134931B2 - エジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、流体を減圧する減圧手段であるとともに、高速で噴出する作動流体の巻き込み作用によって流体輸送を行う運動量輸送式ポンプであるエジェクタに関するもので、冷媒を減圧する減圧手段および冷媒を循環させるポンプ手段としてエジェクタを採用した冷凍機、車両用空調装置、給湯器等に適用して有効である。

従来、エジェクタのノズルを通過する冷媒の流量を調節できる可変流量型エジェクタが特許文献１にて知られている（以下従来例１と称す）。図５の従来例１では、車両用空調装置の冷凍サイクルにおける冷媒減圧手段および冷媒輸送手段としてエジェクタ５０を使用している。このエジェクタ５０では、ニードル弁５１が変位手段５２により図５中左右方向（冷媒の流線方向）Ｒに変位すると、ニードル弁５１のテーパ部５１ａとノズル５３の絞り部５３ａとの間隔が変化する。

これにより、ノズル５３を通過する冷媒の流量を調節でき、例えば圧縮機が高回転、つまりエジェクタ５０に流入する冷媒が多い時にはノズル５３の開度を大きくして、ノズル５３（エジェクタ５０）を通過する冷媒量を増やすことができる。この時、エジェクタ５０の冷媒流れ下流側の蒸発器を流れる冷媒量が増えるため、エジェクタ５０を通過する冷媒流量を増減できない場合に比べて、特にサイクルを流れる冷媒量が多い時の冷凍（冷房）能力を向上させることができる。

また、図６のように複数（図６では４つ）のノズル５３を擬似的に円環状に配置したエジェクタ５５が特許文献２にて知られている（以下従来例２と称す）。これによると、気液二相状態の冷媒の駆動流と気相冷媒の吸引流との接触面積を増大させることができるので、駆動流と吸引流との混合性能を向上させることができる。
特開２００３−１８５２７５号公報 特開平１１−１４８７３３号公報

しかし、従来例２のエジェクタ５５は、可変流量機構を備えていないため、冷媒の流量に応じた流量調節が出来ない。ここで、従来例１のようにニードル弁５１で流量を調節する方法で、従来例２の環状に配置された複数（従来例２では４つ）のノズル５３の流量を調節することを考えると、簡便な方法でニードル弁５１を変位させることは非常に困難である。

加えて、各ノズル５３に１つずつニードル弁５１が必要となるため、部品点数が増加してコストが高くなってしまう。

本発明は、上記点に鑑み、エジェクタにおいて、安価な構成により気液二相状態の駆動流と気相冷媒の吸引流との混合性能を向上することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、冷媒を圧縮する圧縮機（１１）、圧縮機（１１）にて圧縮された高圧冷媒を放熱させて冷却する放熱器（１２）、及び減圧された低圧冷媒を蒸発させる蒸発器（１６）を有する冷凍サイクルに適用されるエジェクタであって、
内部に高圧冷媒が流入する高圧空間（１９）が形成されたエジェクタ本体（１７）と、
エジェクタ本体（１７）内において、高圧空間（１９）よりも冷媒流れ下流側に形成され、低圧冷媒が吸引される吸引空間（２４）と、
高圧空間（１９）に配置され、部材内部に低圧冷媒が吸引空間（２４）へ流れる低圧冷媒通路（２１ａ）を有する低圧管路部材（２１）と、
低圧管路部材（２１）の外周面（２１ｅ）のうち、低圧冷媒の冷媒流れ下流側部位に形成され、前記低圧管路部材（２１）の冷媒流れ下流側端部（２１ｄ）に向かって円筒の肉厚が薄くなるような外周テーパ形状（２１ｆ）と、
高圧空間（１９）を形成するエジェクタ本体（１７）の内壁部（１７ｂ）のうち、外周テーパ形状（２１ｆ）に対向する部位に形成され、高圧冷媒の冷媒流れ下流側に向かって高圧空間（１９）を縮小するような内壁テーパ形状（１７ｃ）と、
内壁テーパ形状（１７ｃ）と、外周テーパ形状（２１ｆ）とで形成され、高圧冷媒が吸引空間（２４）に高速で噴出する噴出口（２５）とを備え、
噴出口（２５）から高速で噴出する高圧冷媒の巻き込み作用によって、低圧冷媒通路（２１ａ）の低圧冷媒が吸引空間（２４）内へ吸引されるようになっており、
外周テーパ形状（２１ｆ）のテーパ角度は、内壁テーパ形状（１７ｃ）のテーパ角度よりも大きくなっており、
内壁テーパ形状（１７ｃ）と外周テーパ形状（２１ｆ）との距離が最も近くなる部位が噴出口（２５）となっており、
内壁テーパ形状（１７ｃ）によって、高圧空間（１９）から噴出口（２５）へ向かう高圧冷媒の流路面積が徐々に縮小され、
噴出口（２５）で高圧冷媒の流路面積が縮小されることで高圧冷媒が減圧膨張され、
内壁テーパ形状（１７ｃ）と外周テーパ形状（２１ｆ）との間に形成される高圧冷媒の流路面積は、噴出口（２５）よりも冷媒流れ下流側で徐々に拡大されるようになっていることを特徴としている。

これによると、高圧冷媒は内壁テーパ形状（１７ｃ）と外周テーパ形状（２１ｆ）との間から吸引空間（２４）へ噴出し、低圧冷媒通路（２１ａ）の低圧冷媒を吸引する。この時、高圧冷媒は周状に吸引空間（２４）へ噴出し、低圧冷媒は周状の高圧冷媒の内側から吸引される。したがって、例えば特許文献１のようにノズルから高圧冷媒が噴出する場合に比べて、高圧冷媒と吸引される低圧冷媒との接触面積を増大させることができ、混合性能を向上させることができる。
しかも、高圧空間（１９）から噴出口（２５）へ向かう高圧冷媒の流路面積が徐々に縮小しているので、冷媒通路が急収縮、急拡大することを防止できる。したがって、冷媒通路の急収縮、急拡大に起因する冷媒のエネルギ損失を少なくすることができる。

また、従来例１、２では冷媒を減圧させるためにノズルを使用しているが、請求項１の発明では、従来例１、２のノズルに相当する形状を内壁部（１７ｂ）と低圧管路部材（２１）の外周面（２１ｅ）とで形成している。したがって、ノズルが不要となり、従来例１、２に比べてエジェクタのコストを低減することができる。

なお、従来例２では複数のノズルを擬似的に環状に配置して混合性能を向上させていたが、本発明では前述のようにノズルが不要なため、従来例２に比して飛躍的にコストを低減することができる。

また、請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のエジェクタにおいて、低圧管路部材（２１）を冷媒の流線方向（Ｒ）に変位させることにより、噴出口（２５）の開度を変化させる変位手段（２３）を備えることを特徴としている。

これによると、変位手段（２３）が低圧管路部材（２１）を冷媒の流線方向（Ｒ）に変位させると、高圧空間（１９）を形成する内壁部（１７ｂ）と低圧管路部材（２１）の外周面（２１ｅ）との距離が変化する。つまり、噴出口（２５）の開度が変化するため、エジェクタを通過する冷媒の流量を変化させることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係るエジェクタを車両用空調装置の冷凍サイクルに適用したものであり、図１は本実施形態に係る冷凍サイクルの模式図である。図１中、１１は冷媒を吸入圧縮する圧縮機１１である。この圧縮機１１で高圧状態となった冷媒は放熱器１２に流入する。放熱器１２では高圧冷媒が室外空気へ放熱する、言い換えると冷媒が室外空気により冷却され、凝縮して液相となる。

液相状態となった高圧冷媒は、エジェクタ１３に流入する。エジェクタ１３は放熱器１２から流出する冷媒を減圧膨張させて後述する蒸発器１６にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギを圧力エネルギに変換して圧縮機１１の吸入圧を上昇させている。このエジェクタ１３についての詳細は後述する。

エジェクタ１３から流出した冷媒は、気液分離器１４に流入する。気液分離器１４では、流入した冷媒を気相冷媒と液相冷媒とに分離して冷媒を蓄えており、分離された気相冷媒は圧縮機１１に吸引されて再び圧縮され、一方、分離された液相冷媒は蒸発器１６側に吸引される。

蒸発器１６は、液相冷媒が室内に吹き出す空気と熱交換して蒸発することにより冷房能力を発揮するものである。なお、気液分離器１４と蒸発器１６との間に配置される第１減圧器１５は、気液分離器１４から蒸発器１６側に吸引される液相冷媒を減圧する絞り（減圧）手段であり、この第１減圧器１５により蒸発器１６内の圧力（蒸発圧力）を確実に低下させている。

次に、図２を使用して本発明に係るエジェクタ１３について説明すると、前述の放熱器１２から流出した高圧冷媒は、流入口１８からエジェクタ本体１７内に形成された高圧空間１９に流入する。一方、蒸発器１６で気相状態となった冷媒は、ジョイント部２０ａを有する気相冷媒配管２０を通って気相管路部材２１へ流入する。

気相管路部材２１は、軸Ｂを中心とする略円筒形状をしており、円筒内部が前述の気相冷媒が通過する気相冷媒通路２１ａとなっている。気相管路部材２１の冷媒流れ上流側端部にはフランジ形状２１ｂが形成されており、前述のジョイント部２０ａに嵌合している。このジョイント部２０ａとフランジ形状２１ｂの嵌合状態は、周知（例えば水道の首振り蛇口）のものと同様である。したがって、気相管路部材２１は軸Ｂ周りに自由に回転できる。

また、気相管路部材２１には中間部材２２が一体に固定されており、さらにこの中間部材２２はロータ２３とストッパピン２３ａにより固定されている。従って、ロータ２３がコイル（図示せず）から受ける電磁力により回転すると気相管路部材２１もロータ２３と一体に回転する。本実施形態では、変位手段としてロータ２３およびコイルを有し、入力されるパルス数によりロータ２３の回転を制御するステッピングモータを使用している。さらに、気相管路部材２１にはネジ部２１ｃが形成されており、本体１７に形成されるネジ部１７ａに嵌まっている。

次に、気相管路部材２１の冷媒流れ下流側端部を図３の要部拡大図を使用して説明すると、気相管路部材２１の冷媒流れ下流側端部には開口部である気相流入口２１ｄが開口している。この気相流入口２１ｄは吸引空間２４内に配置されており、吸引空間２４は本体１７内において、高圧空間１９の冷媒流れ下流側に位置している。

また、気相管路部材２１の外周面２１ｅのうち、冷媒流れ下流側部位には気相流入口２１ｄへ向かって円筒の肉厚が薄くなるような外周テーパ形状２１ｆが形成されている。ところで、高圧空間１９を形成する本体１７の内壁部１７ｂのうち内壁テーパ形状１７ｃに対向する部位には、冷媒流れ下流側に向かって高圧空間１９を縮小するように形成される内壁テーパ形状１７ｃが形成されている。

そして、この内壁テーパ形状１７ｃと外周テーパ形状２１ｆとの距離が最も近くなる部位が、高圧空間１９から吸引空間２４へ向かって冷媒が噴出する噴出口２５となる。

なお、吸引空間２４の冷媒流れ下流側には、混合空間２６が形成され、さらに混合空間２６の冷媒流れ下流側には、冷媒流れ下流に向かって冷媒の流路面積が拡大するようにディフューザ部２７が形成されている。そして、冷媒はディフューザ部２７の冷媒流れ下流側の流出口２８から気液分離器１４へ向けて流出する。

次に、上記構成において本実施形態のエジェクタ１３における冷媒の作動を説明すると、流入口１８から高圧空間１９に流入した冷媒（液相）は、図３中矢印Ｃのように噴出口２５へ向かって流れる。この時、内壁テーパ形状１７ｃと外周面２１ｅが冷媒通路面積を徐々に縮小するため、冷媒が減圧されるとともに冷媒の持つ圧力エネルギが速度エネルギに変換されて冷媒の流速が高くなる。

この高速冷媒流れは混合空間２４へ噴出し、巻き込み作用によって蒸発器１６で蒸発した気相冷媒を気相冷媒通路２１ａから吸引空間２４へ吸引する。吸引された気相冷媒と減圧により２相状態となった噴出冷媒は、混合空間２６で混合しながらディフューザ部２７へ流れる。ディフューザ部２７では、冷媒の速度エネルギが圧力エネルギに変換され、圧縮機１１の吸入圧力を上昇させている。

次に、エジェクタ１３を通過する冷媒流量を可変させる可変流量機構の作動について説明する。前述のように入力されるパルス数に基づいてステッピングモータがロータ２３を回転させると気相管路部材２１もロータ２３と一体に回転する。この回転力は、ネジ部１７ａ、２１ｃで冷媒の流線方向Ｒの力に変換される、つまり気相管路部材２１がＲ方向に変位する。この変位により、内壁テーパ形状１７ｃと外周テーパ形状２１ｆとの距離が変化する。したがって、エジェクタ１３を通過する冷媒の流量を変化させることができる。

次に、第１実施形態による作用効果を述べると、（１）高圧冷媒が内壁部１７ｂと外周面２１ｅとの間から吸引空間２４へ略環状に噴出し、環状噴流の中央から気相冷媒を吸引するため、高圧冷媒と吸引される気相冷媒との接触面積を増大させることができ、混合性能を向上させることができる。

本実施形態では、高圧冷媒が略円筒形状の気相管路部材２１の外周面２１ｅに形成された外周テーパ形状２１ｆと本体１７の内壁部１７ｂの内壁テーパ形状１７ｃとの間を通過する時に減圧および増速されて吸引空間２４へ噴出する。そして、噴出冷媒の巻き込み作用により気相管路部材２１の円筒内部である気相冷媒通路２１ａから気相冷媒を吸引する。したがって、例えば特許文献１のようにノズルから高圧側流体が噴出する場合に比べて、噴出冷媒と吸引される気相冷媒との接触面積を増大させることができ、混合性能を向上させることができる。

（２）略円筒形状の気相管路部材２１の外周面２１ｅと本体１７の内壁部１７ｂの内壁テーパ形状１７ｃとの間で高圧冷媒の流路面積を縮小することにより、高圧冷媒を減圧膨張できる。

ところで、従来例１、２（図５、６）では冷媒を減圧させるためにノズル５３を使用しているが、本実施形態ではノズル５３に相当する形状を内壁部１７ｂと気相管路部材２１の外周面２１ｅとで形成している。したがって、ノズル５３が不要となり、従来例１、２に比べてエジェクタ１３のコストを低減することができる。

なお、従来例２では複数のノズル５３を擬似的に環状に配置して混合性能を向上させていたが、本発明では前述のようにノズル５３が不要なため、従来例２に比して飛躍的にコストを低減することができる。

また、外周テーパ形状２１ｆと内壁部１７ｂの内壁テーパ形状１７ｃとの間で高圧冷媒の流路面積が徐々に縮小していくため、冷媒通路が急収縮、急拡大しない。したがって、冷媒通路の急収縮、急拡大に起因する冷媒のエネルギ損失を少なくすることができる。

（３）周知のステッピングモータを使用した簡便な方法により、気相管路部材２１を流線方向Ｒに変位させてエジェクタ１３を通過する冷媒の流量を変化させることができる。

本実施形態では、ステッピングモータがロータ２３に一体固定される気相管路部材２１へ回転力を与えている。この回転力はネジ部１７ａ、２１ｃで流線方向Ｒの変位力となる。そして、気相管路部材２１がＲ方向に変位すると内壁部１７ｂと外周面２１ｅとの距離が変化、つまり噴出口２５の開度が変化するため、エジェクタを通過する冷媒の流量を変化させることができる。

これにより圧縮機１１が高回転、つまりエジェクタ１３に流入する冷媒が多い時には噴出口２５の開度を大きくして、エジェクタ１３を通過する冷媒量を増やすことができる。この時、エジェクタ１３の冷媒流れ下流側の蒸発器１６を流れる冷媒量が増えるため、エジェクタ１３を通過する冷媒流量を増減できない場合に比べて、特にサイクルを流れる冷媒量が多い時の冷凍（冷房）能力を向上させることができる。

ところで、ノズルを使用したエジェクタを小型化する場合には、ノズルの冷媒通路は相対的に小さくなるため、冷媒の流量を増やすことができない。しかし、本実施形態では前述の構成により略円環状に冷媒が噴出するため、エジェクタを小型化する場合であっても冷媒の流量が減少しない。

（第２実施形態）
第１実施形態の外周テーパ形状２１ｆは、気相流入口２１ｄへ向かって円筒の肉厚が薄くなるような形状であったが、図４の本実施形態では気相流入口２１ｄへ向かって円筒の肉厚が厚くなるように形成されている。

この外周テーパ形状２１ｆにおいても、第１実施形態の作用効果（２）と同様に外周テーパ形状２１ｆと本体１７の内壁部１７ｂの内壁テーパ形状１７ｃとの間で高圧冷媒の流路面積を縮小して高圧冷媒を減圧膨張できる。

なお、本実施形態においても第１実施形態で述べた作用効果（１）、（３）を発揮することができる。

（他の実施形態）
上述の実施形態では本発明を車両用空調装置に適用した例を示したが、本発明を車両用空調装置に限らず、給湯器用のヒートポンプサイクルなどの蒸気圧縮式サイクルに適用してもよい。

また、上述の実施形態では、車室内を空調する例を示したが、冷却対象空間は車室内に限らず、例えば冷蔵庫内などであってもよい。

また、上述の実施形態では、冷媒の種類を特定しなかったが、冷媒はフロン系冷媒、ＨＣＦＣ系、ＨＦＣ系などの代替フロン、ＨＣ系の自然冷媒、二酸化炭素など蒸気圧縮式サイクルに適用できるものであればよい。

また、上述の実施形態では、気相管路部材２１の変位手段としてロータ２３をコイルからの電磁力で回転させるステッピングモータの例を示したが、変位手段は気相管路部材２１を冷媒の流線方向Ｒに変位できれば、これに限られるものではなく、例えば気相管路部材２１に固定したプランジャを電磁気力により変位させるソレノイドであってもよい。

本発明のエジェクタを適用した第１実施形態に係る車両用空調装置の冷凍サイクルを示す模式図である。 本発明の第１実施形態に係るエジェクタの断面図である。 図２のＡ部を拡大した拡大図である。 本発明の第２実施形態に係るエジェクタの要部（図２のＡ部に相当）を拡大した部分拡大図である。 特許文献１に係るエジェクタの要部を示す断面図である。 特許文献２に係るエジェクタの断面図である。

符号の説明

１７…エジェクタ本体、１７ｂ…内壁部、１７ｃ…内壁テーパ形状、１９…高圧空間、
２１…気相管路部材（低圧管路部材）、２１ａ…気相冷媒通路（低圧流体通路）、
２１ｅ…外周面、２１ｆ…外周テーパ形状、２３…ロータ（変位手段）、
２４…吸引空間、２５…噴出口。

Claims (2)

1. 冷媒を圧縮する圧縮機（１１）、前記圧縮機（１１）にて圧縮された高圧冷媒を放熱させて冷却する放熱器（１２）、及び減圧された低圧冷媒を蒸発させる蒸発器（１６）を有する冷凍サイクルに適用されるエジェクタであって、
   内部に前記高圧冷媒が流入する高圧空間（１９）が形成されたエジェクタ本体（１７）と、
   前記エジェクタ本体（１７）内において、前記高圧空間（１９）よりも冷媒流れ下流側に形成され、前記低圧冷媒が吸引される吸引空間（２４）と、
   前記高圧空間（１９）に配置され、部材内部に前記低圧冷媒が前記吸引空間（２４）へ流れる低圧冷媒通路（２１ａ）を有する低圧管路部材（２１）と、
   前記低圧管路部材（２１）の外周面（２１ｅ）のうち、前記低圧冷媒の冷媒流れ下流側部位に形成され、前記低圧管路部材（２１）の冷媒流れ下流側端部（２１ｄ）に向かって円筒の肉厚が薄くなるような外周テーパ形状（２１ｆ）と、
   前記高圧空間（１９）を形成する前記エジェクタ本体（１７）の内壁部（１７ｂ）のうち、前記外周テーパ形状（２１ｆ）に対向する部位に形成され、前記高圧冷媒の冷媒流れ下流側に向かって前記高圧空間（１９）を縮小するような内壁テーパ形状（１７ｃ）と、
   前記内壁テーパ形状（１７ｃ）と、前記外周テーパ形状（２１ｆ）とで形成され、前記高圧冷媒が前記吸引空間（２４）に高速で噴出する噴出口（２５）とを備え、
   前記噴出口（２５）から高速で噴出する前記高圧冷媒の巻き込み作用によって、前記低圧冷媒通路（２１ａ）の前記低圧冷媒が前記吸引空間（２４）内へ吸引されるようになっており、
   前記外周テーパ形状（２１ｆ）のテーパ角度は、前記内壁テーパ形状（１７ｃ）のテーパ角度よりも大きくなっており、
   前記内壁テーパ形状（１７ｃ）と前記外周テーパ形状（２１ｆ）との距離が最も近くなる部位が前記噴出口（２５）となっており、
   前記内壁テーパ形状（１７ｃ）によって、前記高圧空間（１９）から前記噴出口（２５）へ向かう前記高圧冷媒の流路面積が徐々に縮小され、
   前記噴出口（２５）で前記高圧冷媒の流路面積が縮小されることで前記高圧冷媒が減圧膨張され、
   前記内壁テーパ形状（１７ｃ）と前記外周テーパ形状（２１ｆ）との間に形成される前記高圧冷媒の流路面積は、前記噴出口（２５）よりも冷媒流れ下流側で徐々に拡大されるようになっていることを特徴とするエジェクタ。
2. 前記低圧管路部材（２１）を冷媒の流線方向（Ｒ）に変位させることにより、前記噴出口（２５）の開度を変化させる変位手段（２３）を備えることを特徴とする請求項１に記載のエジェクタ。

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