(57)【要約】【課題】吐出圧がより高い蒸気インジェクタおよびこれを用いたヒートポンプ装置を提供すること。【解決手段】冷媒の液流と前記冷媒の蒸気流とを導入する導入部と、前記液流の進行方向に向かって内部断面積が縮小する形状を有し、内部において噴流状の前記液流と前記蒸気流とを混合して冷媒流を形成する混合部と、前記混合部の出力側に形成されたスロート部と、前記スロート部から前記冷媒流の進行方向に向かって内部断面積が拡大する形状を有し、圧力が高められた前記冷媒流を吐出部から吐出するディフューザ部と、を備え、前記スロート部の内部断面積は、前記スロート部の内部断面積を減少させたときに前記ディフューザ部の吐出部から吐出される前記冷媒流の吐出圧が非線形的に増加する臨界断面積より小さい断面積であることを特徴とする蒸気インジェクタ。【選択図】図１
2014218937.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒の液流と前記冷媒の蒸気流とを導入する導入部と、
前記液流の進行方向に向かって内部断面積が縮小する形状を有し、内部において噴流状の前記液流と前記蒸気流とを混合して冷媒流を形成する混合部と、
前記混合部の出力側に形成されたスロート部と、
前記スロート部から前記冷媒流の進行方向に向かって内部断面積が拡大する形状を有し、圧力が高められた前記冷媒流を吐出部から吐出するディフューザ部と、
を備え、
前記スロート部の内部断面積は、前記スロート部の内部断面積を減少させたときに前記ディフューザ部の吐出部から吐出される前記冷媒流の吐出圧が非線形的に増加する臨界断面積より小さい断面積であることを特徴とする蒸気インジェクタ。
【請求項２】
前記スロート部の内部断面積は、前記スロート部の内部断面積の変化に対する前記冷媒流の吐出圧の変化を表す曲線の１階微分係数が０より小さい、または２階微分係数が０より大きい内部断面積であることを特徴とする請求項１に記載の蒸気インジェクタ。
【請求項３】
前記スロート部の内部断面積をＡ１、前記導入部における前記液流の質量流量、流速をそれぞれｍｗ０、ｕｗ０、前記導入部における前記蒸気流の質量流量、流速をそれぞれｍｓ０、ｕｓ０、前記スロート部における前記冷媒流の質量流量、流速をそれぞれｍ１、ｕ１、前記混合部、前記スロート部、前記ディフューザ部における圧力損失係数をそれぞれζＮ、ζＴ、ζＤ、前記液流の密度をρｗ、前記冷媒流の前記吐出部における吐出圧をＰＤとすると、以下の式（１）が成り立つことを特徴とする請求項１または２に記載の蒸気インジェクタ。
【数１】
2014218937.tif 000005
【請求項４】
前記スロート部の内部断面は円形であり、該内部断面の直径は２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の蒸気インジェクタ。
【請求項５】
前記内部断面の直径は１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の蒸気インジェクタ。
【請求項６】
前記混合部において、前記液流が導入される領域の断面積をＡＷ０、前記蒸気流が導入される領域の断面積をＡｓ０とすると、Ａｓ０／Ａｗ０は、７以上３０以下であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の蒸気インジェクタ。
【請求項７】
前記Ａｓ０／Ａｗ０は、１０以上２０以下であることを特徴とする請求項６に記載の蒸気インジェクタ。
【請求項８】
前記混合部の内部から外気に連通するように形成されたドレイン管をさらに備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の蒸気インジェクタ。
【請求項９】
前記ドレイン管には逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項８に記載の蒸気インジェクタ。
【請求項１０】
前記冷媒は水または代替フロンであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一つに記載の蒸気インジェクタ。
【請求項１１】
冷媒を圧縮する圧縮器と、
前記冷媒を凝縮する凝縮器と、
前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、
前記冷媒の蒸気流と、前記冷媒の液流とが導入され、圧力が高められた冷媒流を前記ディフューザ部の吐出部から吐出する請求項１〜１０のいずれか一つに記載の蒸気インジェクタと、
を備えることを特徴とするヒートポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気インジェクタおよびこれを用いたヒートポンプ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
エジェクタを用いた冷凍サイクルが開示されている（例えば特許文献１、非特許文献１参照）。この冷凍サイクルでは、膨張弁を用いた冷凍サイクルにおいては膨張弁で渦として損失していたエネルギーを、エジェクタによりコンプレッサの仕事として回収することにより、ＣＯＰを向上させた高効率冷凍サイクルが実現されているとされている。
【０００３】
一方、小型の蒸気インジェクタとして、スロート部の内径が６．０ｍｍのものが開示されている（例えば非特許文献２参照）。この蒸気インジェクタによれば、入力された蒸気の圧力と比較してより高い吐出圧が得られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３２１９１０８号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】武内他、「世界初エジェクタサイクル冷凍機の開発」、デンソーテクニカルレビュー、ｖｏｌ．１４（２００９年１２月）、第６５〜７５頁
【非特許文献２】Y.Abe  et  al.,”  Model  development  of  turbulent  dispersion  force  for  advanced  two-fluid  model  in  consideration  of  bubble-liquid  phase  interactions”,  Proceedings  of  the  18th  International  Conference  on  Nuclear  Engineering  (ICONE-18)  ICONE18-29517,  2010.
【非特許文献３】奈良林他、「蒸気インジェクタの高性能化に関する研究(第１報、作動メカニズムの定式化と特性解析)」、日本機械学会論文集Ｂ編、第６２巻  第５９７号、１９９６年(平成８年)５月、第１８３３頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した冷凍サイクル等のヒートポンプ装置への応用を考慮すると、ＣＯＰ等で表されるエネルギー効率の向上のために、吐出圧がより高い蒸気インジェクタが求められている。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、吐出圧がより高い蒸気インジェクタおよびこれを用いたヒートポンプ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る蒸気インジェクタは、冷媒の液流と前記冷媒の蒸気流とを導入する導入部と、前記液流の進行方向に向かって内部断面積が縮小する形状を有し、内部において噴流状の前記液流と前記蒸気流とを混合して冷媒流を形成する混合部と、前記混合部の出力側に形成されたスロート部と、前記スロート部から前記冷媒流の進行方向に向かって内部断面積が拡大する形状を有し、圧力が高められた前記冷媒流を吐出部から吐出するディフューザ部と、を備え、前記スロート部の内部断面積は、前記スロート部の内部断面積を減少させたときに前記ディフューザ部の吐出部から吐出される前記冷媒流の吐出圧が非線形的に増加する臨界断面積より小さい断面積であることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る蒸気インジェクタは、上記発明において、前記スロート部の内部断面積は、前記スロート部の内部断面積の変化に対する前記冷媒流の吐出圧の変化を表す曲線の１階微分係数が０より小さい、または２階微分係数が０より大きい内部断面積であることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る蒸気インジェクタは、上記発明において、前記スロート部の内部断面積をＡ１、前記導入部における前記液流の質量流量、流速をそれぞれｍｗ０、ｕｗ０、前記導入部における前記蒸気流の質量流量、流速をそれぞれｍｓ０、ｕｓ０、前記スロート部における前記冷媒流の質量流量、流速をそれぞれｍ１、ｕ１、前記混合部、前記スロート部、前記ディフューザ部における圧力損失係数をそれぞれζＮ、ζＴ、ζＤ、前記液流の密度をρｗ、前記冷媒流の前記吐出部における吐出圧をＰＤとすると、以下の式（１）が成り立つことを特徴とする。
【数１】
2014218937.tif 000003
【００１１】
本発明に係る蒸気インジェクタは、上記発明において、前記スロート部の内部断面は円形であり、該内部断面の直径は２ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る蒸気インジェクタは、上記発明において、前記内部断面の直径は１ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る蒸気インジェクタは、上記発明において、前記混合部において、前記液流が導入される領域の断面積をＡＷ０、前記蒸気流が導入される領域の断面積をＡｓ０とすると、Ａｓ０／Ａｗ０は、７以上３０以下であることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る蒸気インジェクタは、上記発明において、前記Ａｓ０／Ａｗ０は、１０以上２０以下であることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る蒸気インジェクタは、上記発明において、前記混合部の内部から外気に連通するように形成されたドレイン管をさらに備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る蒸気インジェクタは、上記発明において、前記ドレイン管には逆止弁が設けられていることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係る蒸気インジェクタは、上記発明において、前記冷媒は水または代替フロンであることを特徴とする。
【００１８】
本発明に係るヒートポンプ装置は、冷媒を圧縮する圧縮器と前記冷媒を凝縮する凝縮器と、前記冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記冷媒の蒸気流と、前記冷媒の液流とが導入され、圧力が高められた冷媒流を前記ディフューザ部の吐出部から吐出する上記発明の蒸気インジェクタと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、吐出圧がより高い蒸気インジェクタおよびこれを用いたヒートポンプ装置を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、実施の形態１に係る蒸気インジェクタの模式的な構成図である。
【図２】図２は、図１の導入部および混合部の要部拡大図である。
【図３】図３は、蒸気インジェクタの作動特性予測モデルを説明する図である。
【図４】図４は、スロート部の内径と吐出圧との関係を示す図である。
【図５】図５は、図４に示す曲線の１階微分係数を示す図である。
【図６】図６は、図４に示す曲線の２階微分係数を示す図である。
【図７】図７は、導入部における蒸気流の圧力と吐出圧との関係を示す図である。
【図８】図８は、安定動作時および不安定動作時における導入される蒸気流の圧力およびドレイン管内の圧力を示す図である。
【図９】図９は、実施の形態２に係るヒートポンプ装置のブロック図である。
【図１０】図１０は、実施の形態３に係るヒートポンプ装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、図面を参照して本発明に係る蒸気インジェクタおよびヒートポンプ装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する構成要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法や寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。
【００２２】
本発明者らは、吐出圧がより高い蒸気インジェクタを実現するために鋭意検討したところ、スロート部の面積が所定値以下になると、吐出されるジェット液流の吐出圧が急激に増大することを初めて発見し、本発明に想到したものである。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る蒸気インジェクタの模式的な構成図である。図１に示すように、蒸気インジェクタ１０は、導入部１と、混合部２と、スロート部３と、ディフューザ部４と、ドレイン管５と、逆止弁６とを備えている。以下、蒸気インジェクタ１０の構成および動作について説明する。
【００２４】
導入部１は、冷媒の液流Ｗ１を導入するノズル状の液流導入部１ａと、液流導入部１ａの両側に形成された、冷媒の蒸気流Ｓ１を導入する蒸気流導入部１ｂとを有する。液流Ｗ１はノズル状の液流導入部１ａによって噴流状となって導入される。なお、用いる冷媒は、水や代替フロン等、ヒートポンプ装置で使用できる冷媒であれば特に限定はされない。
【００２５】
混合部２は、図１の紙面下方である液流の進行方向に向かって内部断面積が縮小する形状を有している。本実施の形態１では混合部２は断面円形であるが、断面が矩形などの他の形状でもよい。混合部２は、内部において液流と蒸気流とを混合し、気液混合状態にある冷媒流を形成する部分である。ここで、蒸気流は液流によって急激に冷却されて凝縮し、その体積が大幅に減少するため、混合部２内部では負圧が生じる。これによって導入される蒸気流の流速も高まる。
【００２６】
図２は、図１の導入部１および混合部２の要部拡大図である。図２に示すように、蒸気流導入部１ｂから導入された蒸気流Ｓ１は、液流導入部１ａから導入された噴流状の液流Ｗ１の外周側から液流Ｗ１と合流し、混合される。なお、符号Ｃ１は、混合部２において、液流Ｗ１を導入し蒸気流Ｓ１と混合する領域を示している。この領域Ｃ１の断面積をＡｗ０とする。また、符号Ｃ２は、蒸気流Ｓ１を導入し液流Ｗ１と混合する領域を示している。この領域Ｃ２の断面積をＡｓ０とする。
【００２７】
図１に戻る。スロート部３は、混合部２の出力側であってかつディフューザ部４の入力側に形成されている。本実施の形態１ではスロート部３は断面円形であるが、断面が矩形などの他の形状でもよい。スロート部３は混合部２からディフューザ部４にわたる部分で内部断面積が最も小さい部分である。したがって、冷媒流はスロート部３を通過する際に流速が最も高くなる。
【００２８】
ディフューザ部４は、スロート部３から冷媒流の進行方向に向かって内部断面積が拡大する形状を有している。本実施の形態１ではディフューザ部４は断面円形であるが、断面が矩形などの他の形状でもよい。ディフューザ部４の内部断面積は拡大しているため、冷媒流は流速が低くなるとともに圧力が高められる。その結果、ディフューザ部４は、圧力が高められた冷媒流を、吐出部４ａから冷媒流Ｆ１として吐出する。
【００２９】
ドレイン管５は、混合部２の内部から外部に連通するように形成されている。ドレイン管５には逆止弁６が設けられている。ドレイン管５は、混合部２内の余分な蒸気を排気する機能を有する。このように余分な蒸気を排気することによって蒸気インジェクタ１０の動作の安定性が高くなる。なお、蒸気インジェクタ１０の動作時には、上述したように混合部２内部で負圧が生じる。逆止弁６は、負圧によって混合部２内部に外気が流入しないように機能することによって、蒸気インジェクタ１０の動作の安定性を高める。
【００３０】
蒸気インジェクタ１０は、たとえば、２以上の構成部材（たとえば板状の構成部材）からなる一組の構成部材のそれぞれに、導入部１、混合部２、スロート部３、ディフューザ部４、およびドレイン管５を複数に分割した形状の溝または穴を形成し、溝または穴を形成した一組の構成部材を接合することによって形成しても良い。このとき、導入部１、混合部２、スロート部３、ディフューザ部４、およびドレイン管５のそれぞれは、一組の構成部材を接合したときに、各構成部材に形成された溝または穴が組み合わさることによって形成される。なお、構成部材の構成材料はたとえば樹脂材料などでもよいが、構成部材を金属製等とし、一組の構成部材の接合を拡散接合等により行うことによって、冷媒流Ｆ１の吐出圧が高くてもそれに耐えうる十分な接合強度が得られる。構成部材を構成する金属材料としては、ステンレス材料等の断熱性が高いものが好ましい。
【００３１】
ここで、本実施の形態１に係る蒸気インジェクタ１０では、スロート部３の内部断面積は、所定の臨界断面積よりも小さく設定されている。これによって、ディフューザ部４の吐出部４ａから吐出される冷媒流の吐出圧が高くなっている。
【００３２】
以下、冷媒流の吐出圧が高くなる原理を、蒸気インジェクタの作動特性予測モデル（非特許文献３参照）に基づいて説明する。図３は、蒸気インジェクタの作動特性予測モデルを説明する図である。図３において、符号「０」は液流Ｗ１と蒸気流Ｓ１とを混合する領域の始点を示している（図２の領域Ｃ１、Ｃ２参照）。符号「１」はスロート部３を示す。符号「Ｄ」はディフューザ部４の吐出部４ａを示している。これらの符号は以下の式において適宜変数の添え字として使用する。
【００３３】
このモデルでは、まず、蒸気流Ｓ１はスロート部３で全量凝縮すると仮定する。また、蒸気流Ｓ１は臨界流となって混合部２に導入されると仮定し、臨界圧力から蒸気流Ｓ１の流速を算出する。さらに、流動構造や冷媒流の界面挙動は考慮しないこととする。
【００３４】
まず、混合部２（「０」−「１」間）の液流Ｗ１、蒸気流Ｓ１、冷媒流Ｆ１に対して質量保存則の式、エネルギー保存則の式、運動量保存側の式を適用する。さらに、ディフューザ部４（「１」−「Ｄ」間）の冷媒流Ｆ１にベルヌイの式を適用する。これによって下記の式（１）が導かれる。なお、ここでは冷媒を水とした。すなわち、液流および蒸気流に関するパラメータの値としては、水流、水蒸気流の値を使用した。
【００３５】
【数２】
2014218937.tif 000004
ここで、式（１）では、スロート部３の内部断面積をＡ１、導入部１における液流Ｗ１の質量流量、流速をそれぞれｍｗ０、ｕｗ０、導入部１における蒸気流Ｓ１の質量流量、流速をそれぞれｍｓ０、ｕｓ０、スロート部３における冷媒流Ｆ１の質量流量、流速をそれぞれｍ１、ｕ１、混合部２、スロート部３、ディフューザ部４における圧力損失係数をそれぞれζＮ、ζＴ、ζＤ、液流Ｗ１の密度をρｗ、冷媒流Ｆ１の吐出部４ａにおける吐出圧をＰＤとしている。また、式（１）を導出する際には、Ａｗ０を７．５４×１０−７ｍ２とし、Ａｓ０を５．４２×１０−６ｍ２とした。このとき、Ａｓ０／Ａｗ０は約７．２である。また、導入部１における液流Ｗ１の温度Ｔｗ０を２０℃とし、ζｓを０．３７とした。
【００３６】
式（１）において、ζＮを０．０５、ζＴを０．１、ζＤを０．１５とし、ｍｗ０を１．２７×１０−２ｋｇ／ｓとし、導入部１における蒸気流Ｓ１の圧力Ｐｓを０．１０ＭＰａ、０．１３ＭＰａ、または０．１５ＭＰａとした場合に、スロート部３の内径ＤＴを６．０ｍｍから３００μｍまで変化させたときの吐出圧ＰＤの変化を算出した。ここで、１気圧は０．１０２４ＭＰａである。なお、スロート部３は断面円形とする。このとき、内部断面積Ａ１に対して、π（ＤＴ／２）２＝Ａ１が成り立つ。
【００３７】
図４は、スロート部３の内径ＤＴと吐出圧ＰＤとの関係を示す図である。図５は、図４に示す曲線の１階微分係数を示す図である。図６は、図４に示す曲線の２階微分係数を示す図である。図４〜６を導出する際には、ＤＴの値を０．０１ｍｍ刻みで変化させて計算を行った。図４に示すように、いずれの圧力Ｐｓの値についても、内径ＤＴを６．０ｍｍから減少させても、吐出圧ＰＤは略一定であった。しかし、いずれの圧力Ｐｓの値についても、内径ＤＴが約１．０ｍｍを臨界値として、内径ＤＴが臨界値より小さい値（たとえば６００μｍ）では吐出圧ＰＤが非線形的に急激に増加することが式（１）の解析から確認された。また、図５に示すように、図４に示す内径ＤＴと圧力Ｐｓとの関係を示す曲線の１階微分係数は、内径ＤＴが１．０ｍｍよりも大きいときはほぼ０である。しかし、約１．０ｍｍを臨界値として、内径ＤＴが臨界値より小さい値では０より小さくなり、その後急激に減少する。さらに、図６に示すように、図４に示す内径ＤＴと圧力Ｐｓとの関係を示す曲線の２階微分係数は、内径ＤＴが１．０ｍｍよりも大きいときはほぼ０である。しかし、約１．０ｍｍを臨界値として、内径ＤＴが臨界値より小さい値では０より大きくなり、その後急激に増大する。
【００３８】
そこで、本実施の形態１に係る蒸気インジェクタ１０では、スロート部３の内径ＤＴ、または内部断面積Ａ１を、吐出圧ＰＤが増加する臨界値（内径または断面積）より小さい内径または断面積とすることによって、従来なし得なかった高い吐出圧を実現している。このような臨界値より小さい内径または断面積では、スロート部３の内径ＤＴまたは内部断面積Ａ１の変化に対する、吐出圧ＰＤの変化を表す曲線（すなわち、図４に示す曲線）の１階微分係数が０より小さくなっている。また、２階微分係数は０より大きくなっている。したがって、このような１階または２階の微分係数が０から変化する内径ＤＴまたは内部断面積Ａ１とすることによって、高い吐出圧ＰＤが実現される。
【００３９】
なお、上記の図４、５、６では、内径ＤＴが臨界値よりも大きい場合は、吐出圧ＰＤは略一定であり、その変化を示す曲線の１階および２階の微分係数はほぼ０である。したがって、臨界値は、１階または２階の微分係数が０から変化する値として定義することができる。一方、内径ＤＴが臨界値よりも大きい場合に、吐出圧ＰＤが略一定ではなく、その変化を示す曲線の１階および２階微分係数が０ではない場合もある。そのような場合は、２階微分係数が、内径ＤＴまたは内部断面積Ａ１の減少に応じて１０％以上上昇する値を、臨界値として定義してもよい。たとえば、内径ＤＴを１．０ｍｍから０．９ｍｍに減少させたときに、２階微分係数が１．０から１．１に、１０％上昇した場合には、内径ＤＴの臨界値は１．０ｍｍと定義してもよい。
【００４０】
また、吐出圧ＰＤが増加する臨界値（内径または断面積）は、式（１）に含まれる各パラメータの値によって変化する。したがって、各パラメータの値を勘案して、スロート部３の内径ＤＴまたは内部断面積Ａ１を臨界値より小さくなるように設定すれば、本発明の効果としての高い吐出圧ＰＤを得ることができる。たとえば、冷媒が水ではなく他の冷媒の場合は、水に関するパラメータを、使用する冷媒に関するパラメータに置き換えて、スロート部３の内径ＤＴまたは内部断面積Ａ１を設定すればよい。
【００４１】
つぎに、式（１）において、スロート部３の内部断面積Ａ１を２．８３×１０−７ｍ２（内径ＤＴとしては６００μｍ）とし、ｍｗ０を１．２７×１０−２ｋｇ／ｓ、１．４３×１０−２ｋｇ／ｓ、または１．５９×１０−２ｋｇ／ｓとした場合に、導入部１における蒸気流Ｓ１の圧力Ｐｓを変化させたときの吐出圧ＰＤの変化を算出した。
【００４２】
図７は、導入部１における蒸気流Ｓ１の圧力Ｐｓと吐出圧ＰＤとの関係を示す図である。図７に示すように、圧力Ｐｓを高めるほど吐出圧ＰＤを高くすることができることを式（１）の解析から確認した。
【００４３】
つぎに、樹脂材料を用いて蒸気インジェクタを実際に作製し、その動作を実証する実験を行った。作製した蒸気インジェクタは、７種類である。すなわち、図１に示す実施の形態１の構成のもので、Ａｓ０／Ａｗ０を３６．２としたもの（サンプル１）、逆止弁を設けない以外はサンプル１と同じ構成のもの（サンプル２）、逆止弁およびドレイン管を設けない以外はサンプル１と同じ構成のもの（サンプル３）である。また、図１に示す実施の形態１の構成のもので、Ａｓ０／Ａｗ０を７．２としたもの（サンプル４）、逆止弁を設けない以外はサンプル１と同じ構成のもの（サンプル５）、逆止弁およびドレイン管を設けない以外はサンプル１と同じ構成のもの（サンプル６）である。また、図１に示す実施の形態１の構成に、さらにＡｓ０／Ａｗ０を可変にできる機構を設けたもの（サンプル７）である。このような可変機構は、液流導入部１ａの混合部２への突出量を変更できるように構成することで実現できる。
【００４４】
なお、サンプル１〜７の共通の構成としては、混合部２の長さを２２．５ｍｍとし、混合部２の、スロート部３の反対側の内径を３．４ｍｍとし、液流Ｗ１を導入する断面積Ａｗ０を１．９４ｍ２（内径としては１．５７ｍｍ）とし、スロート部３の内径ＤＴを６００μｍとし、ディフューザ部４の長さを１４．４ｍｍとし、ディフューザ部４の吐出部４ａの内径を２．０ｍｍとした。また、ドレイン管５については内径を０．４５ｍｍとした。
【００４５】
また、本実験においても、冷媒として水を用い、以下のように実験条件を調整可能な実験系を用いた。まず、導入部における蒸気流の圧力Ｐｓは０．１１ＭＰａ〜０．１５ＭＰａの範囲で調整可能である。また、導入部において、液流の温度Ｔｗ０は１１．９℃〜２６℃の範囲、蒸気流の温度Ｔｓ０は１０１．４℃〜１１１．２℃の範囲で調整可能である。また、導入部における液流の流速ｍｗ０は１．５９ｍｌ／ｓ〜２．２０ｍｌ／ｓ（なお、液流の密度はたとえば９５８ｋｇ／ｍ３である）の範囲で調整可能である。また、導入する液流または蒸気流の溶存酸素量ＤＯｗまたはＤＯｓは０．８ｍｇ／ｌ〜８．０ｍｇ／ｌの範囲で調整可能である。
【００４６】
（実験１）
サンプル３（Ａｓ０／Ａｗ０＝３６．２、ドレイン管および逆止弁無し）の蒸気インジェクタを用いて、はじめに、Ｔｗ０＝１２．６℃の液流を導入したところ、蒸気インジェクタ内の混合部およびスロート部に水の液体が静的に蓄積した。この状態で、つぎに、Ｐｓ＝０．１１ＭＰａ、Ｔｓ０＝１０２．３℃の蒸気流を導入した。すると、混合部において液体の流動が生じ、ディフューザ部の吐出部から冷媒流が吐出され、蒸気インジェクタの動作が確認された。
【００４７】
（実験２）
サンプル４（Ａｓ０／Ａｗ０＝７．２、ドレイン管および逆止弁有り）の蒸気インジェクタを用いて、はじめに、Ｔｗ０＝２４．５℃、ｍｗ０＝１．５９ｍｌ／ｓ、ＤＯｗ＝１．６４ｍｇ／ｌの液流を導入し、つぎに、蒸気流を導入した。すると、混合部において液体の流動が生じ、ディフューザ部の吐出部から冷媒流が吐出され、蒸気インジェクタの動作が確認されたが、動作が不安定になる場合があった。
【００４８】
図８は、安定動作時および不安定動作時における導入される蒸気流の圧力およびドレイン管内の圧力を示す図である。横軸は測定開始時からの経過時間である。図８において、Ｐｉｎはドレイン管内の圧力を示し、Ｐｓは蒸気流の圧力を示している。また、「Ｓｔａｂｌｅ」は蒸気インジェクタが安定動作状態にあることを意味し、「Ｕｎｓｔａｂｌｅ」は蒸気インジェクタが不安定動作状態にあることを意味する。
【００４９】
図８に示すように、安定動作時にはＰｉｎがＰｓよりも低く、混合部内が負圧になっていた。一方、不安定動作時にはＰｓがＰｉｎよりも低く、混合部内が正圧となっており、かつＰｓの値が不安定であり、安定した蒸気流の導入が行われない状態であることが確認された。
【００５０】
（実験３−１、３−２、３−３）
サンプル７（Ａｓ０／Ａｗ０可変、ドレイン管および逆止弁有り）の蒸気インジェクタを用いて、はじめに、Ｔｗ０＝２１．７℃、ｍｗ０＝１．９１ｍｌ／ｓ、ＤＯｗ＝２．４ｍｇ／ｌの液流を導入し、つぎに、Ｐｓ＝０．１３ＭＰａ、ＤＯｓ＝３．５ｍｇ／ｌの蒸気流を導入する実験を行った。なお、Ａｓ０／Ａｗ０については、４．４、１５．１、または３８．３に設定した。
【００５１】
すると、蒸気インジェクタは、Ａｓ０／Ａｗ０＝４．４およびＡｓ０／Ａｗ０＝３８．３の場合は動作せず、Ａｓ０／Ａｗ０＝１５．１の場合はディフューザ部の吐出部から高い吐出圧の冷媒流が吐出され、蒸気インジェクタの動作が確認された。
【００５２】
本発明者らがさらに実験を行ったところ、Ａｓ０／Ａｗ０の値としては、７以上３０以下の範囲にある場合が蒸気インジェクタの動作上好ましく、１０以上２０以下である場合が、安定動作上さらに好ましい。
【００５３】
（実施の形態２）
図９は、本発明の実施の形態２に係るヒートポンプ装置のブロック図である。図９に示すように、ヒートポンプ装置１００は、実施の形態１に係る蒸気インジェクタ１０と、圧縮器２０と、凝縮器３０と、蒸発器４０と、気液分離器５０とを備えている。これらの要素は、冷媒を循環させる流路としての配管によって接続されている。
【００５４】
ヒートポンプ装置１００の動作を説明する。圧縮器２０は、外部からの電力Ｐによって、気液分離器５０から供給された冷媒蒸気を圧縮する。一方、凝縮器３０は圧縮された冷媒蒸気の熱を熱Ｈ１として放熱するとともに冷媒蒸気を凝縮し、冷媒液とする。蒸発器４０は、気液分離器５０から供給された冷媒液に外部から吸熱した熱Ｈ２を与えて冷媒を蒸発させる。
【００５５】
蒸気インジェクタ１０は、蒸発器４０から供給された冷媒の蒸気流と、凝縮器３０から供給された冷媒の液流とが導入され、圧力が高められた冷媒流をディフューザ部４の吐出部４ａ（図１参照）から吐出する。気液分離器５０は、吐出された冷媒流に含まれる冷媒の液体と蒸気とを分離し、冷媒蒸気を圧縮器２０に供給するとともに、冷媒液を蒸発器４０に供給する。
【００５６】
このヒートポンプ装置１００では、膨張弁を用いたヒートポンプ装置においては膨張弁で渦として損失していたエネルギーを蒸気インジェクタ１０により回収できる。さらに、このヒートポンプ装置１００では、蒸気インジェクタ１０によって圧縮器２０の負担が軽減されるので、所望の動作状態を実現するために外部から与えるべき電力Ｐの電力量を低減することができる。これによって、このヒートポンプ装置１００は、ＣＯＰを向上させた高効率ヒートポンプ装置として機能する。このヒートポンプ装置１００は、空気調和装置、冷凍装置、給湯装置など、ヒートポンプ装置を使用する各種装置に使用することができ、これによって高効率装置が実現される。
【００５７】
（実施の形態３）
図１０は、本発明の実施の形態３に係るヒートポンプ装置のブロック図である。図１０に示すように、ヒートポンプ装置２００は、実施の形態１に係る蒸気インジェクタ１０と、圧縮器２０と、凝縮器３０と、蒸発器４０と、気液分離器５０と、膨張弁６０と、ポンプ７０とを備えている。これらの要素は、冷媒を循環させる流路としての配管によって接続されている。
【００５８】
このヒートポンプ装置２００では、蒸気インジェクタ１０は、圧縮器２０から供給された冷媒の蒸気流と、気液分離器５０からポンプＰで圧力が高められた状態で供給された冷媒の液流とが導入され、圧力が高められた冷媒流をディフューザ部４の吐出部４ａ（図１参照）から吐出する。凝縮器３０は、蒸気インジェクタ１０から圧力が高められた冷媒流を供給され、その熱を熱Ｈ１として放熱するとともに冷媒流を凝縮する。気液分離器５０は、凝縮器３０からの冷媒流に含まれる冷媒の液体と蒸気とを分離し、冷媒蒸気を膨張弁６０に供給するとともに、冷媒液をポンプＰに供給する。膨張弁６０は、冷媒蒸気を低温、低圧の冷媒液とする。蒸発器４０は、膨張弁６０によって低温、低圧にされた冷媒液に外部から吸熱した熱Ｈ２を与えて冷媒を蒸発させる。圧縮器２０は、外部からの電力Ｐによって、蒸発器４０から供給された冷媒蒸気を圧縮する。
【００５９】
このヒートポンプ装置２００では、蒸気インジェクタ１０は圧縮器２０による冷媒の圧縮を補助して凝縮器３０に所望の圧力の冷媒を供給するようにしている。その結果、所望の動作状態を実現するために外部から与えるべき電力Ｐの電力量を低減することができる。これによって、このヒートポンプ装置２００は、ＣＯＰを向上させた高効率ヒートポンプ装置として機能する。このヒートポンプ装置２００は、空気調和装置、冷凍装置、給湯装置など、ヒートポンプ装置を使用する各種装置に使用することができ、これによって高効率装置が実現される。
【００６０】
なお、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１  導入部
１ａ  液流導入部
１ｂ  蒸気流導入部
２  混合部
３  スロート部
４  ディフューザ部
４ａ  吐出部
５  ドレイン管
６  逆止弁
１０  蒸気インジェクタ
２０  圧縮器
３０  凝縮器
４０  蒸発器
５０  気液分離器
６０  膨張弁
７０  ポンプ
１００、２００  ヒートポンプ装置
Ｃ１、Ｃ２  領域
Ｆ１  冷媒流
Ｈ１、Ｈ２  熱
Ｐ  電力
Ｓ１  蒸気流
Ｗ１  液流
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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