(57)【要約】【課題】小型でありがながら吐出量が多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、を備えた複数の単位蒸気インジェクタと、前記各単位蒸気インジェクタの各導入部に前記冷媒の液流および蒸気流のそれぞれを供給するための液流路および蒸気流路と、を備える蒸気インジェクタ。【選択図】図１
2014218939.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、
を備えた複数の単位蒸気インジェクタと、
前記各単位蒸気インジェクタの各導入部に前記冷媒の液流および蒸気流のそれぞれを供給するための液流路および蒸気流路と、
を備えることを特徴とする蒸気インジェクタ。
【請求項２】
当該蒸気インジェクタは、一組の構成部材が接合して形成されており、
前記一組の構成部材のそれぞれには、前記導入部、前記混合部、前記スロート部、および前記ディフューザ部を複数に分割した形状の溝または穴が形成されており、前記導入部、前記混合部、前記スロート部、および前記ディフューザ部は、前記一組の構成部材を接合したときに前記溝または前記穴によって形成され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】
前記一組の構成部材は、板状であって、積層した状態で互いに接合されており、
前記複数の単位蒸気インジェクタのうち少なくとも２以上が、前記板状構成部材の主表面に沿って配列していることを特徴とする請求項２に記載の蒸気インジェクタ。
【請求項４】
前記板状構成部材の主表面に沿って配列した前記単位蒸気インジェクタの各前記導入部を連通する流路が形成されていることを特徴とする請求項３に記載の蒸気インジェクタ。
【請求項５】
前記一組の構成部材は、板状であって、積層した状態で互いに接合されており、
前記複数の単位蒸気インジェクタのうち少なくとも２以上が、前記板状構成部材の積層方向に沿って配列していることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一つに記載の蒸気インジェクタ。
【請求項６】
前記板状構成部材の積層方向に沿って配列した前記単位蒸気インジェクタの各前記導入部を連通する流路が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の蒸気インジェクタ。
【請求項７】
前記一組の構成部材は、積層した状態で互いに接合されており、
前記複数の単位蒸気インジェクタは、前記構成部材の積層方向に沿って延在していることを特徴とする請求項２に記載の蒸気インジェクタ。
【請求項８】
前記一組の構成部材は拡散接合により接合してい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】
前記単位蒸気インジェクタは、前記スロート部の内部断面積が、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請求項１〜８のいずれか一つに記載の蒸気インジェクタ。
【請求項１０】
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９に記載の蒸気インジェクタ。
【請求項１１】
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９または１０に記載の蒸気インジェクタ。
【数１】
2014218939.tif 000005
【請求項１２】
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９〜１１のいずれか一つに記載の蒸気インジェクタ。
【請求項１３】
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１２に記載の蒸気インジェクタ。
【請求項１４】
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ＡＷ、前記蒸気流が導入される領域の断面積をＡＳ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９〜１３のいずれか一つに記載の蒸気インジェクタ。
【請求項１５】
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１４に記載の蒸気インジェクタ。
【請求項１６】
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１〜１５のいずれか一つに記載の蒸気インジェクタ。
【請求項１７】
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１６に記載の蒸気インジェクタ。
【請求項１８】
前記導入部は、液流導入部と、蒸気流導入部と、前記液流導入部と前記蒸気流導入部との間に介在する断熱層とを有することを特徴とする請求項１〜１７のいずれか一つに記載の蒸気インジェクタ。
【請求項１９】
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１〜１８のいずれか一つに記載の蒸気インジェクタ。
【請求項２０】
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１〜１９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】
従来、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】
しかしながら、非特許文献２に開示されるように蒸気インジェクタを小型化すると、それだけ冷媒の吐出量も少なくなるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、小型でありがながら吐出量が多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、を備えた複数の単位蒸気インジェクタと、前記各単位蒸気インジェクタの各導入部に前記冷媒の液流および蒸気流のそれぞれを供給するための液流路および蒸気流路と、を備え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、当該蒸気インジェクタは、一組の構成部材が接合して形成されており、前記一組の構成部材のそれぞれには、前記導入部、前記混合部、前記スロート部、および前記ディフューザ部を複数に分割した形状の溝または穴が形成されており、前記導入部、前記混合部、前記スロート部、および前記ディフューザ部は、前記一組の構成部材を接合したときに前記溝または前記穴によって形成され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、前記一組の構成部材は、板状であって、積層した状態で互いに接合されており、前記複数の単位蒸気インジェクタのうち少なくとも２以上が、前記板状構成部材の主表面に沿って配列していることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る蒸気インジェクタは、上記発明において、前記板状構成部材の主表面に沿って配列した前記単位蒸気インジェクタの各前記導入部を連通する流路が形成されてい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、前記一組の構成部材は、板状であって、積層した状態で互いに接合されており、前記複数の単位蒸気インジェクタのうち少なくとも２以上が、前記板状構成部材の積層方向に沿って配列してい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、前記板状構成部材の積層方向に沿って配列した前記単位蒸気インジェクタの各前記導入部を連通する流路が形成されてい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、前記一組の構成部材は、積層した状態で互いに接合されており、前記複数の単位蒸気インジェクタは、前記構成部材の積層方向に沿って延在してい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、前記一組の構成部材は拡散接合により接合してい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、前記単位蒸気インジェクタは、前記スロート部の内部断面積が、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。
【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。
【００１８】
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】
2014218939.tif 000003
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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ＡＷ、前記蒸気流が導入される領域の断面積をＡＳとすると、Ａｓ０／Ａｗ０は、７以上３０以下であることを特徴とする。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
本発明に係る蒸気インジェクタは、上記発明において、前記導入部は、液流導入部と、蒸気流導入部と、前記液流導入部と前記蒸気流導入部との間に介在する断熱層とを有することを特徴とする。
【００２６】
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。
【００２７】
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】
【００２８】
本発明によれば、小型でありがながら吐出量が多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】
【００２９】
【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斜視図である。
【図２】図２は、図１の板状構成部材の平面図である。
【図３】図３は、図１の蒸気インジェクタの要部断面図である。
【図４】図４は、冷媒の流れを説明する図である。
【図５】図５は、導入部の別の態様を説明する要部断面図である。
【図６】図６は、変形例１に係る蒸気インジェクタの内部構成を説明する模式図である。
【図７】図７は、図６の板状構成部材の平面図である。
【図８】図８は、図６の板状構成部材の平面図である。
【図９】図９は、図６の板状構成部材の斜視図である。
【図１０】図１０は、変形例２に係る蒸気インジェクタの内部構成を説明する模式図である。
【図１１】図１１は、図１０の板状構成部材の平面図である。
【図１２】図１２は、図１０の板状構成部材の平面図である。
【図１３】図１３は、変形例３に係る蒸気インジェクタの内部構成を説明する模式図である。
【図１４】図１４は、図１３の板状構成部材の平面図である。
【図１５】図１５は、図１３の板状構成部材の平面図である。
【図１６】図１６は、変形例４に係る蒸気インジェクタの構成を説明する模式図である。
【図１７】図１７は、図１６の板状構成部材およびノズルの構成を説明する模式図である。
【図１８】図１８は、変形例５に係る蒸気インジェクタの内部構成を説明する模式図である。
【図１９】図１９は、図１８の板状構成部材の平面図である。
【図２０】図２０は、図１８の板状構成部材の平面図である。
【図２１】図２１は、変形例６に係る蒸気インジェクタの内部構成を説明する模式図である。
【図２２】図２２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２３】図２３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。
【図２４】図２４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２５】図２５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２６】図２６は、図２５に示す曲線の１階微分係数を示す図である。
【図２７】図２７は、図２５に示す曲線の２階微分係数を示す図である。
【図２８】図２８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２９】図２９は、作製した単位蒸気インジェクタの構成を模式的に示す図である。
【図３０】図３０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。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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。
【００３１】
（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斜視図である。この蒸気インジェクタ１００は、複数（本実施の形態１では５）の板状構成部材１０１、１０２、１０３、１０４、１０５で構成されている。これらの一組の板状構成部材１０１、１０２、１０３、１０４、１０５は、積層した状態で互いに接合されている。板状構成部材１０１、１０５は積層構造の蒸気インジェクタ１００の最上層または最下層を構成している。
【００３２】
板状構成部材１０１には、外部から冷媒の液流Ｗ１を供給する冷媒液供給口１０１ａと冷媒の蒸気流Ｓ１を外部に排出する冷媒蒸気排出口１０１ｂとが形成されている。板状構成部材１０５には、液流Ｗ１を外部に排出する冷媒液排出口１０５ａと外部から蒸気流Ｓ１を供給する冷媒蒸気供給口１０５ｂとが形成されている。また、蒸気インジェクタ１００の側面には冷媒流Ｆ１を吐出する冷媒流吐出口１０６が形成されている。
【００３３】
図２は、板状構成部材１０２の平面図である。図２において、斜線部は板状構成部材１０２の主表面であり、板状構成部材１０２の主表面には複数の溝および穴が形成されている。これらの溝および穴は、板状構成部材１０１の、板状構成部材１０２と対向する主表面、板状構成部材１０２、１０３、１０４の両主表面、および板状構成部材１０５の、板状構成部材１０４と対向する主表面にも形成されている。これらの溝および穴は、後述する単位蒸気インジェクタの導入部、混合部、スロート部、およびディフューザ部を２分割した形状の溝または穴を含み、板状構成部材１０１、１０２、１０３、１０４、１０５の対向する主表面が接合することによって、これらの溝または穴が組み合わさって、複数の単位蒸気インジェクタ、および単位蒸気インジェクタに対して、冷媒液および冷媒蒸気の供給または排出を行うための流路が形成される。
【００３４】
具体的には、図２に示すように、板状構成部材１０２には、冷媒液供給口１０２ａと、冷媒蒸気排出口１０２ｂと、冷媒液排出口１０２ｃと、冷媒蒸気供給口１０２ｄとが形成されている。また、板状構成部材１０２と板状構成部材１０３との接合により、３つの単位蒸気インジェクタ１０と、冷媒液流路１０２ｅと、冷媒蒸気流路１０２ｆと、冷媒流合流流路１０２ｇとが形成される。冷媒液供給口１０２ａは図１に示す冷媒液供給口１０１ａと連通している。冷媒蒸気排出口１０２ｂは図１に示す冷媒蒸気排出口１０１ｂと連通している。冷媒液排出口１０２ｃは図１に示す冷媒液排出口１０５ａと連通している。冷媒蒸気供給口１０２ｄは図１に示す冷媒蒸気供給口１０５ｂと連通している。また、冷媒液供給口１０２ａと冷媒液排出口１０２ｃとは、冷媒液流路１０２ｅを介して連通している。冷媒蒸気排出口１０２ｂと冷媒蒸気供給口１０２ｄとは、冷媒蒸気流路１０２ｆとを介して連通している。
【００３５】
単位蒸気インジェクタ１０は、板状構成部材１０１、１０２の主表面に沿って配列している。また、単位蒸気インジェクタ１０は、１組の板状構成部材１０１、１０２、１０３、１０４、１０５を接合することによって各板状構成部材間に形成されるので、板状構成部材１０１、１０２、１０３、１０４、１０５の積層方向にも沿って配列している。蒸気インジェクタ１００では、主表面に沿って３個、積層方向に沿って４個の単位蒸気インジェクタが形成されている。したがって、蒸気インジェクタ１００は、合計で１２個の単位蒸気インジェクタが集積されたものである。なお、主表面または積層方向に沿って配列される単位蒸気インジェクタの数をそれぞれＮ、Ｍとすると、蒸気インジェクタ１００の場合はＮ＝３、Ｍ＝４であるが、Ｎが１でＭが２以上、Ｎが２以上でＭが１、またはＮ、Ｍとも２以上であってもよい。
【００３６】
各単位蒸気インジェクタ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とを備えている。以下、単位蒸気インジェクタ１０の構成および動作について説明する。
【００３７】
導入部１は、ノズル状の液流導入部１ａと、蒸気流導入部１ｂとを有する。液流導入部１ａは、外部から、冷媒液供給口１０１ａ、冷媒液供給口１０２ａおよび冷媒液流路１０２ｅを介して供給された冷媒の液流Ｗ１を導入する。蒸気流導入部１ｂは、液流導入部１ａの両側に形成され、冷媒蒸気供給口１０５ｂ、冷媒蒸気供給口１０２ｄおよび冷媒蒸気流路１０２ｆを介して供給された蒸気流Ｓ１を導入する。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。
【００３８】
図３は、蒸気インジェクタ１００の要部断面図であって、図２のＡ−Ａ線に対応する断面における断面を示している。このように、液流導入部１ａおよび蒸気流導入部１ｂは板状構成部材１０１と板状構成部材１０２とを接合したときに、対向する主表面に形成された溝が組み合わさることによって形成される。
【００３９】
図２に戻る。混合部２は、図２の紙面右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は断面矩形であるが、断面が円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。
【００４０】
図２に示すように、液流導入部１ａから導入された蒸気流Ｓ１は、蒸気流導入部１ｂ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。
【００４１】
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は断面矩形であるが、断面が円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。
【００４２】
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は断面矩形であるが、断面が円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。
【００４３】
冷媒流合流流路１０２ｇは、各単位蒸気インジェクタ１０のディフューザ部の吐出部に連通しており、吐出された各冷媒流Ｆ１を合流させる。冷媒流吐出口１０６は合流された冷媒流Ｆ１を蒸気インジェクタ１００の外部に吐出する。
【００４４】
図４は、冷媒の流れを説明する図である。図４に示すように、冷媒の液流Ｗ１は、冷媒液供給口１０１ａから供給された後、板状構成部材１０２に形成された冷媒液供給口から、板状構成部材１０１と板状構成部材１０２との接合により形成された各単位蒸気インジェクタに供給される。各単位蒸気インジェクタに供給されなかった液流は冷媒液排出口から排出され、板状構成部材１０３に形成された冷媒液供給口から、板状構成部材１０２と板状構成部材１０３との接合により形成された各単位蒸気インジェクタに供給される。すなわち、隣接する板状構成部材の冷媒液供給口と冷媒液排出口とは連通しており、板状構成部材の積層方向に沿って配列した単位蒸気インジェクタの各導入部を連通する流路を形成している。以下、同様に、各板状構成部材の接合により形成された各単位蒸気インジェクタに液流が供給され、未使用の液流は板状構成部材１０５の冷媒液排出口１０５ａから外部に排出される。
【００４５】
同様に、冷媒の蒸気流Ｓ１は、冷媒蒸気供給口１０５ｂから供給された後、板状構成部材１０４に形成された冷媒蒸気供給口から、板状構成部材１０５と板状構成部材１０４との接合により形成された各単位蒸気インジェクタに供給される。各単位蒸気インジェクタに供給されなかった蒸気流は冷媒蒸気排出口から排出され、板状構成部材１０３に形成された冷媒蒸気供給口から、板状構成部材１０４と板状構成部材１０３との接合により形成された各単位蒸気インジェクタに供給される。以下、同様に、各板状構成部材の接合により形成された各単位蒸気インジェクタに蒸気流が供給され、未使用の蒸気流は板状構成部材１０１の冷媒蒸気排出口１０１ｂから外部に排出される。
【００４６】
この蒸気インジェクタ１００は、上述したように１２個の単位蒸気インジェクタが集積されたものであり、各単位蒸気インジェクタが吐出する冷媒流のすべてを合流させた冷媒流を吐出する。したがって、この蒸気インジェクタは、小型でありながら、かつ吐出量が多いものである。
【００４７】
なお、図５は、導入部の別の態様を説明する要部断面図である。図５に示すように、導入部１´は、図２、３に示す導入部１と置き換えて使用できるものであって、液流導入部１ａと、蒸気流導入部１ｂとの間に介在する断熱層１ｃを有するものである。断熱層１ｃはたとえば２つの壁部の間に空気を充填させた層または真空とした層として構成することができる。
【００４８】
導入部１において液流Ｗ１が蒸気流Ｓ１によって加熱されると、混合部２における蒸気流Ｓ１を液流Ｗ１によって急激に冷却して凝縮する効果が減少する。これに対して、導入部１´においては、断熱層１ｃによって、液流Ｗ１が蒸気流Ｓ１によって加熱されることが防止または抑制されるので、上記凝縮効果の減少が防止または抑制される。
【００４９】
なお、上記板状構成部材１０１、１０２、１０３、１０４、１０５の構成材料はたとえば樹脂材料などでもよいが、これらを金属製等とし、一組の板状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の吐出量が多く、吐出厚が高くてもそれに耐えうる十分な接合強度が得られる。板状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。
【００５０】
また、上記単位蒸気インジェクタ１０において、混合部２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ようにしてもよい。ドレイン管は、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単位蒸気インジェクタ１０の動作の安定性が高くなる。また、ドレイン管には逆止弁が設けられていてもよい。単位蒸気インジェクタ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、単位蒸気インジェクタ１０の動作の安定性を高める。
【００５１】
以下、実施の形態１の変形例１〜６に係る上記インジェクタについて説明する。
【００５２】
（変形例１）
図６は、変形例１に係る蒸気インジェクタの内部構成を説明する模式図である。図６（ａ）は蒸気インジェクタ１００Ａを示し、図６（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はその構成要素である板状構成部材１０２Ａ、１０３Ａ、１０１Ａを示している。蒸気インジェクタ１００Ａは、複数の板状構成部材１０２Ａ、１０３Ａの組の間に板状構成部材１０１Ａを配置したものが複数組積層された構成を有する。これらの板材構成部材は、たとえば金属製であり、拡散接合により接合される。
【００５３】
図７は、図６の板状構成部材１０２Ａの平面図である。図７において、クロスハッチが施された領域は溝を示している。なお、板状構成部材１０３Ａも板状構成部材１０２Ａと同様の構成を有している。図７に示すように、板状構成部材１０２Ａには、板状構成部材１０２Ａを貫通するように、冷媒液流路１０２Ａｅと、冷媒蒸気流路１０２Ａｆと、冷媒流合流流路１０２Ａｇと、冷媒流吐出口１０６Ａとが形成されている。また、板状構成部材１０２Ａは、単位蒸気インジェクタ１０Ａの導入部１Ａ、混合部２Ａ、スロート部３Ａ、およびディフューザ部４Ａを構成するための溝を有している。板状構成部材１０２Ａと板状構成部材１０３Ａとの接合により単位蒸気インジェクタ１０Ａが形成される。なお、板状構成部材１０２Ａと板状構成部材１０３Ａとは、互いの溝が組み合うように積層させても良いし、一方の板状構成部材の溝が形成された主表面と、一方の板状構成部材の溝が形成されていない主表面とが対向するように積層させても良い。
【００５４】
各単位蒸気インジェクタ１０Ａは、導入部１Ａと、混合部２Ａと、スロート部３Ａと、ディフューザ部４Ａとを備えている。導入部１Ａは、ノズル状の液流導入部１Ａａと、蒸気流導入部１Ａｂとを有する。液流導入部１Ａａは、外部から、冷媒液流路１０２Ａｅを介して供給された冷媒の液流を導入する。蒸気流導入部１Ａｂは、液流導入部１Ａａの両側に形成され、冷媒蒸気流路１０２Ａｆを介して供給された蒸気流を導入する。単位蒸気インジェクタ１０Ａの具体的構成および動作は単位蒸気インジェクタ１０と略同様である。
【００５５】
図８は、図６の板状構成部材１０１Ａの平面図である。図８に示すように、板状構成部材１０１Ａには、冷媒液流路１０１Ａｅと、冷媒蒸気流路１０１Ａｆと、冷媒流合流流路１０１Ａｇと、冷媒流吐出口１０６Ａとが形成されている。板状構成部材１０１Ａは、板状構成部材１０２Ａと板状構成部材１０３Ａとの間に挟まれて、各単位蒸気インジェクタ１０Ａの蒸気流導入部１Ａｂへの冷媒蒸気の流路を確保するためのスペーサの役目を果たしている。
【００５６】
図９は、図６の板状構成部材１０２Ａの斜視図であって、溝の構成を理解しやすくするために板状構成部材１０２Ａを切断して示している。
【００５７】
（変形例２）
図１０は、変形例２に係る蒸気インジェクタの内部構成を説明する模式図である。図１０（ａ）は蒸気インジェクタ１００Ｂを示し、図１０（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はその構成要素である板状構成部材１０２Ｂ、１０３Ｂ、１０１Ｂを示している。蒸気インジェクタ１００Ｂは、複数の板状構成部材１０２Ｂ、１０３Ｂの組の間に板状構成部材１０１Ｂを配置したものが複数組積層された構成を有する。これらの板材構成部材は、たとえば金属製であり、拡散接合により接合される。
【００５８】
図１１は、図１０の板状構成部材１０２Ｂの平面図である。図１１において、クロスハッチが施された領域は溝を示している。なお、板状構成部材１０３Ｂも板状構成部材１０２Ｂと同様の構成を有している。図１１に示すように、板状構成部材１０２Ｂには、板状構成部材１０２Ｂを貫通するように、冷媒液流路１０２Ｂｅと、冷媒蒸気流路１０２Ｂｆと、冷媒流合流流路１０２Ｂｇと、冷媒流吐出口１０６Ｂとが形成されている。また、板状構成部材１０２Ｂは、単位蒸気インジェクタ１０Ｂの導入部１Ｂ、混合部２Ｂ、スロート部３Ｂ、およびディフューザ部４Ｂを構成するための溝を有している。板状構成部材１０２Ｂと板状構成部材１０３Ｂとの接合により単位蒸気インジェクタ１０Ｂが形成される。なお、板状構成部材１０２Ｂと板状構成部材１０３Ｂとは、互いの溝が組み合うように積層させても良いし、一方の板状構成部材の溝が形成された主表面と、一方の板状構成部材の溝が形成されていない主表面とが対向するように積層させても良い。
【００５９】
各単位蒸気インジェクタ１０Ｂは、導入部１Ｂと、混合部２Ｂと、スロート部３Ｂと、ディフューザ部４Ｂとを備えている。導入部１Ｂは、ノズル状の液流導入部１Ｂａと、蒸気流導入部１Ｂｂとを有する。液流導入部１Ｂａは、外部から、冷媒液流路１０２Ｂｅを介して供給された冷媒の液流を導入する。蒸気流導入部１Ｂｂは、液流導入部１Ｂａの両側に形成され、冷媒蒸気流路１０２Ｂｆを介して供給された蒸気流を導入する。単位蒸気インジェクタ１０Ｂの具体的構成および動作は単位蒸気インジェクタ１０と略同様である。
【００６０】
図１２は、図１０の板状構成部材１０１Ｂの平面図である。図１２に示すように、板状構成部材１０１Ｂには、冷媒液流路１０１Ｂｅと、冷媒蒸気流路１０１Ｂｆと、冷媒流合流流路１０１Ｂｇと、冷媒流吐出口１０６Ｂとが形成されている。板状構成部材１０１Ｂは、板状構成部材１０２Ｂと板状構成部材１０３Ｂとの間に挟まれて、各単位蒸気インジェクタ１０Ｂの蒸気流導入部１Ｂｂへの冷媒蒸気の流路を確保するためのスペーサの役目を果たしている。
【００６１】
ここで、板状構成部材１０２Ｂには、さらに、液流導入部１Ｂａと、蒸気流導入部１Ｂｂとの間に介在する貫通溝１Ｂｃが形成されている。このような貫通溝１Ｂｃは板状構成部材１０１Ｂにも形成されている。さらに、この貫通溝１Ｂｃは冷媒液流路１０２Ｂｅと冷媒蒸気流路１０２Ｂｆとの間にも介在するように形成されている。この貫通溝１Ｂｃは、液流導入部１Ｂａと、蒸気流導入部１Ｂｂとの間、および冷媒液流路１０２Ｂｅと冷媒蒸気流路１０２Ｂｆとの間を断熱する断熱層としての空気層を形成する。これによって、混合前に液流が蒸気流によって加熱されることが防止または抑制されるので、混合部２Ｂにおける凝縮効果の減少が防止または抑制される。なお、貫通溝１Ｂｃ内は真空としてもよい。
【００６２】
（変形例３）
図１３は、変形例３に係る蒸気インジェクタの内部構成を説明する模式図である。図１３（ａ）は蒸気インジェクタ１００Ｃを示し、図１３（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はその構成要素である板状構成部材１０２Ｃ、１０３Ｃ、１０１Ｃを示している。蒸気インジェクタ１００Ｃは、複数の板状構成部材１０２Ｃ、１０３Ｃの組の間に板状構成部材１０１Ｃを配置したものが複数組積層された構成を有する。これらの板材構成部材は、たとえば金属製であり、拡散接合により接合される。
【００６３】
図１４は、図１３の板状構成部材１０２Ｃの平面図である。図１４において、クロスハッチが施された領域は溝を示している。なお、板状構成部材１０３Ｃも板状構成部材１０２Ｃと同様の構成を有している。図１４に示すように、板状構成部材１０２Ｃには、板状構成部材１０２Ｃを貫通するように、冷媒液流路１０２Ｃｅと、冷媒蒸気流路１０２Ｃｆと、冷媒流合流流路１０２Ｃｇと、冷媒流吐出口１０６Ｃとが形成されている。また、板状構成部材１０２Ｃは、単位蒸気インジェクタ１０Ｃの導入部１Ｃ、混合部２Ｃ、スロート部３Ｃ、およびディフューザ部４Ｃを構成するための溝を有している。板状構成部材１０２Ｃと板状構成部材１０３Ｃとの接合により単位蒸気インジェクタ１０Ｃが形成される。なお、板状構成部材１０２Ｃと板状構成部材１０３Ｃとは、互いの溝が組み合うように積層させても良いし、一方の板状構成部材の溝が形成された主表面と、一方の板状構成部材の溝が形成されていない主表面とが対向するように積層させても良い。
【００６４】
各単位蒸気インジェクタ１０Ｃは、導入部１Ｃと、混合部２Ｃと、スロート部３Ｃと、ディフューザ部４Ｃとを備えている。導入部１Ｃは、ノズル状の液流導入部１Ｃａと、蒸気流導入部１Ｃｂとを有する。液流導入部１Ｃａは、外部から、冷媒液流路１０２Ｃｅを介して供給された冷媒の液流を導入する。蒸気流導入部１Ｃｂは、液流導入部１Ｃａの両側に形成され、冷媒蒸気流路１０２Ｃｆを介して供給された蒸気流を導入する。単位蒸気インジェクタ１０Ｃの具体的構成および動作は単位蒸気インジェクタ１０と略同様である。なお、この単位蒸気インジェクタ１０Ｃでは、液流の進行方向の側面から蒸気流が混合される。図１４において、符号１Ｃａａは混合する際に液流が導入される断面積を示し、符号１Ｃｂａは混合する際に蒸気流が導入される断面積を示している。
【００６５】
図１５は、図１３の板状構成部材１０１Ｃの平面図である。図１５に示すように、板状構成部材１０１Ｃには、冷媒液流路１０１Ｃｅと、冷媒蒸気流路１０１Ｃｆと、冷媒流合流流路１０１Ｃｇと、冷媒流吐出口１０６Ｃとが形成されている。板状構成部材１０１Ｃは、板状構成部材１０２Ｃと板状構成部材１０３Ｃとの間に挟まれて、各単位蒸気インジェクタ１０Ｃの蒸気流導入部１Ｃｂへの冷媒蒸気の流路を確保するためのスペーサの役目を果たしている。
【００６６】
ここで、板状構成部材１０２Ｃにも、板状構成部材１０２Ｂと同様に、液流導入部１Ｃａと、蒸気流導入部１Ｃｂとの間に介在する貫通溝１Ｃｃが形成されている。このような貫通溝１Ｃｃは板状構成部材１０１Ｃにも形成されている。さらに、この貫通溝１Ｃｃは冷媒液流路１０２Ｃｅと冷媒蒸気流路１０２Ｃｆとの間にも介在するように形成されている。この貫通溝１Ｃｃは、液流導入部１Ｃａと、蒸気流導入部１Ｃｂとの間、および冷媒液流路１０２Ｃｅと冷媒蒸気流路１０２Ｃｆとの間を断熱する断熱層としての空気層を形成する。これによって、混合前に液流が蒸気流によって加熱されることが防止または抑制されるので、混合部２Ｃにおける凝縮効果の減少が防止または抑制される。なお、貫通溝１Ｃｃ内は真空としてもよい。
【００６７】
（変形例４）
図１６は、変形例４に係る蒸気インジェクタの内部構成を説明する模式図である。図１６（ａ）は蒸気インジェクタ１００Ｄを示し、図１６（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はその構成要素である板状構成部材１０２Ｄ、ノズル１１０Ｄ、板状構成部材１０３Ｄを示している。蒸気インジェクタ１００Ｄは、複数の板状構成部材１０２Ｄ、１０３Ｄの組が複数組積層された構成を有する。これらの板材構成部材は、たとえば金属製であり、拡散接合により接合される。
【００６８】
図１７は、図１６の板状構成部材およびノズルの構成を説明する模式図である。図１７（ａ）は板状構成部材１０２Ｄを示し、図１７（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ背面図、側面図を示し、図１７（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）はそれぞれＡ−Ａ線断面、Ｂ−Ｂ線断面、Ｃ−Ｃ線断面を示し、図１７（ｇ）はノズル１１０Ｄを示している。図１７において、クロスハッチが施された領域は溝を示している。なお、板状構成部材１０３Ｄも板状構成部材１０２Ｄと同様の構成を有している。
【００６９】
図１７に示すように、板状構成部材１０２Ｄには、板状構成部材１０２Ｄを貫通するように、冷媒液流路１０２Ｄｅと、冷媒蒸気流路１０２Ｄｆと、冷媒流合流流路１０２Ｄｇと、冷媒流吐出口１０６Ｄとが形成されている。また、板状構成部材１０２Ｄは、単位蒸気インジェクタ１０Ｄの混合部２Ｄ、スロート部３Ｄ、およびディフューザ部４Ｄを構成するための溝を有している。さらに、板状構成部材１０２Ｄは、ノズル１１０Ｄを嵌めるための溝１０２Ｄｈを有している。ノズル１１０Ｄを溝１０２Ｄｈに嵌めた状態で板状構成部材１０２Ｄと板状構成部材１０３Ｄとの接合により単位蒸気インジェクタ１０Ｄが形成される。このとき、ノズル１１０Ｄは板状構成部材１０３Ｄ側に形成された、溝１０２Ｄｈと同様の溝にも嵌まる。
【００７０】
各単位蒸気インジェクタ１０Ｄは、導入部１Ｄと、混合部２Ｄと、スロート部３Ｄと、ディフューザ部４Ｄとを備えている。導入部１Ｄは、ノズル状の液流導入部１Ｄａと、蒸気流導入部１Ｄｂとを有する。液流導入部１Ｄａは、外部から、冷媒液流路１０２Ｄｅを介して供給された冷媒の液流を導入する。蒸気流導入部１Ｄｂは、液流導入部１Ｄａを取り囲むように形成され、冷媒蒸気流路１０２Ｄｆを介して供給された蒸気流を導入する。単位蒸気インジェクタ１０Ｄの具体的構成および動作は単位蒸気インジェクタ１０と略同様である。
【００７１】
ここで、ノズル１１０Ｄを溝１０２Ｄｈに嵌めた状態で板状構成部材１０２Ｄと板状構成部材１０３Ｄとを接合したとき、ノズル１１０Ｄによって導入部１Ｄの液流導入部１Ｄａが形成され、混合部２Ｄの冷媒蒸気流路１０２Ｄｆにおいてノズル１１０Ｄの周囲を囲む溝が蒸気流導入部１Ｄｂとなる。蒸気インジェクタ１００Ｄは、ノズル１１０Ｄが溝１０２Ｄｈ内を移動し、かつ所望の位置に固定されることができるような機構を有している。ノズル１１０Ｄの位置を溝１０２Ｄｈの長手方向に対して移動させることによって、導入部１Ｄにおける液流導入部１Ｄａと蒸気流導入部１Ｄｂとの断面積比を変化させることができる。
【００７２】
（変形例５）
図１８は、変形例５に係る蒸気インジェクタの内部構成を説明する模式図である。図１８（ａ）は蒸気インジェクタ１００Ｅを示し、図１８（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）はその構成要素である板状構成部材１０２Ｅ、１０３Ｅ、１０４Ｅ、１０１Ｅを示している。蒸気インジェクタ１００Ｅは、複数の板状構成部材１０２Ｅ、１０３Ｅ、１０４Ｅ、１０１Ｅの組が複数組積層された構成を有する。これらの板材構成部材は、たとえば金属製であり、拡散接合により接合される。
【００７３】
図１９は、図１８の板状構成部材１０３Ｅの平面図である。図１９において、クロスハッチが施された領域は溝を示している。なお、板状構成部材１０４Ｅも板状構成部材１０３Ｅと同様の構成を有している。図１９に示すように、板状構成部材１０３Ｅには、板状構成部材１０３Ｅを貫通するように、冷媒液流路１０３Ｅｅと、冷媒蒸気流路１０３Ｅｆと、冷媒流合流流路１０３Ｅｇと、冷媒流吐出口１０６Ｅとが形成されている。また、板状構成部材１０３Ｅは、単位蒸気インジェクタ１０Ｅの導入部１Ｅ、混合部２Ｅ、スロート部３Ｅ、およびディフューザ部４Ｅを構成するための溝を有している。さらに、板状構成部材１０３Ｅには、蒸気流導入部１Ｅｃを構成するための、板状構成部材１０３Ｅを貫通する楔型の貫通孔が形成されている。
【００７４】
図２０は、図１８の板状構成部材１０２Ｅの平面図である。なお、板状構成部材１０１Ｅも板状構成部材１０２Ｅと同様の構成を有している。図２０に示すように、板状構成部材１０２Ｅには、冷媒液流路１０２Ｅｅと、冷媒蒸気流路１０２Ｅｆと、冷媒流合流流路１０２Ｅｇと、冷媒流吐出口１０６Ｅとが形成されている。また、板状構成部材１０２Ｅは、冷媒蒸気流路１０２Ｅｆと連通する、蒸気流導入部１Ｅｃを構成するための溝と、スロート部３Ｅを構成する溝と、冷媒蒸気を逃がす流路１０２Ｅｈを構成するための溝とを有している。なお、冷媒蒸気を逃がす流路１０２Ｅｈを構成するための溝は無くても良い。
【００７５】
板状構成部材１０２Ｅ、１０３Ｅ、１０４Ｅ、および１０１Ｅの接合により単位蒸気インジェクタ１０Ｅが形成される。なお、接合したときに、板状構成部材１０３Ｅに形成された、蒸気流導入部１Ｅｃを構成するための貫通孔と、板状構成部材１０２Ｅに形成された、蒸気流導入部１Ｅｃを構成するための溝とは連通する。なお、板状構成部材１０４Ｅ、板状構成部材１０１Ｅにも同様の貫通孔と溝とが形成されており、これらは接合したときに連通する。
【００７６】
各単位蒸気インジェクタ１０Ｅは、導入部１Ｅと、混合部２Ｅと、スロート部３Ｅと、ディフューザ部４Ｅとを備えている。導入部１Ｅは、ノズル状の液流導入部１Ｅａと、蒸気流導入部１Ｅｂ、１Ｅｃとを有する。液流導入部１Ｅａは、外部から、冷媒液流路１０３Ｅｅを介して供給された冷媒の液流を導入する。蒸気流導入部１Ｅｂは、液流導入部１Ｅａの両側に形成され、冷媒蒸気流路１０３Ｅｆを介して供給された蒸気流を導入する。
【００７７】
さらに、蒸気流導入部１Ｅｃは、液流導入部１Ｅａの上下に形成され、冷媒蒸気流路から、板状構成部材１０２Ｅ、１０１Ｅに形成された蒸気流導入部１Ｅｃを構成する溝（図２０参照）を通り、板状構成部材１０３Ｅ、１０４Ｅに形成された蒸気流導入部１Ｅｃを構成する貫通孔（図１９参照）をさらに通って供給された蒸気流を導入する。すなわち、各単位蒸気インジェクタ１０Ｅでは、液流導入部１Ｅａの左右両側、および上下両側の四方から、蒸気流が導入される。なお、板状構成部材１０２Ｅ、１０１Ｅに形成された蒸気流導入部１Ｅｃを構成する溝を通ったが板状構成部材１０３Ｅ、１０４Ｅに形成された蒸気流導入部１Ｅｃを構成する孔を通らなかった冷媒蒸気は流路１０２Ｅｈから冷媒流吐出口１０６Ｅに逃がされる。
【００７８】
単位蒸気インジェクタ１０Ｅのその他の具体的構成および動作は単位蒸気インジェクタ１０と略同様である。この単位蒸気インジェクタ１０Ｅでは、液流導入部１Ｅａの四方に形成された蒸気流導入部１Ｅｂ、１Ｅｃから冷媒蒸気を導入するので、より効率的に冷媒蒸気を導入することができる。
【００７９】
（変形例６）
図２１は、変形例６に係る蒸気インジェクタの内部構成を説明する模式図である。この蒸気インジェクタ２００は、構成部材２０１、２０２、２０３、２０４、２０５で構成されている。構成部材２０１、２０２、２０３、２０４、２０５を積層して接合することによって、構成部材２０１、２０２、２０３、２０４、２０５の積層方向に沿って延在する９個の単位蒸気インジェクタ１０Ｇが形成される。各単位蒸気インジェクタ１０Ｇは、導入部１Ｇと、混合部２Ｇと、スロート部３Ｇと、ディフューザ部４Ｇとを備えている。導入部１Ｇは、ノズル状の液流導入部１Ｇａと、蒸気流導入部１Ｇｂとを有する。これらの構成部材は、たとえば金属製であり、拡散接合により接合される。
【００８０】
構成部材２０１は、断面矩形状の貫通孔である冷媒液流路２００ｅを有している。また、構成部材２０１は、冷媒液流路２００ｅと、ノズルである構成部材２０５によって形成される導入部１Ｇの液流導入部１Ｇａと連通する連通孔２００ｅ１と、を有する。構成部材２０２には円錐状の貫通孔である混合部２Ｇが形成されている。また、構成部材２０１、２０２、２０５が接合したときに、構成部材２０１と構成部材２０２とによって冷媒蒸気流路２００ｆが形成される。また、構成部材２０５が混合部２Ｇに挿通され、構成部材２０５と混合部２Ｇとの隙間に蒸気流導入部１Ｇｂが形成される。
【００８１】
また、構成部材２０３には円錐状の貫通孔であるディフューザ部４Ｇが形成されている。構成部材２０２と構成部材２０３とが接合したときに、構成部材２０２と構成部材２０３との接合面の位置にスロート部３Ｇが形成される。また、構成部材２０３と構成部材２０４とが接合したときに、冷媒流合流流路２００ｇと、冷媒流吐出口２０６とが形成される。
【００８２】
このように、単位蒸気インジェクタは、積層して接合する構成部材の積層方向に沿って延在するように形成されてもよい。
【００８３】
（実施の形態２）
図２２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２２に示すように、ヒートポンプ装置１０００は、実施の形態１に係る蒸気インジェクタ１００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。
【００８４】
ヒートポンプ装置１０００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。
【００８５】
蒸気インジェクタ１００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冷媒流吐出口１０６（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。
【００８６】
このヒートポンプ装置１０００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１００により回収できる。さらに、このヒートポンプ装置１０００では、蒸気インジェクタ１００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１０００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１０００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。
【００８７】
（実施の形態３）
図２３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２３に示すように、ヒートポンプ装置２０００は、実施の形態１に係る蒸気インジェクタ１００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。
【００８８】
このヒートポンプ装置２０００では、蒸気インジェクタ１００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７０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冷媒流吐出口１０６から吐出する。凝縮器３０は、蒸気インジェクタ１００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７０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。
【００８９】
このヒートポンプ装置２０００では、蒸気インジェクタ１００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２０００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２０００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。
【００９０】
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を用いることが好ましい。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た。
【００９１】
たとえば、本実施の形態１に係る蒸気インジェクタ１００において、単位蒸気インジェクタ１０におけるスロート部３の内部断面積を、所定の臨界断面積よりも小さく設定することによって、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る。
【００９２】
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２４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２４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。符号Ｃ１は、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。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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
【数２】
2014218939.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。
【００９６】
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。
【００９７】
図２５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２６は、図２５に示す曲線の１階微分係数を示す図である。図２７は、図２５に示す曲線の２階微分係数を示す図である。図２５〜２７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２５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２６に示すように、図２５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２７に示すように、図２５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。
【００９８】
そこで、単位蒸気インジェクタ１０において、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することができる。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２５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。
【００９９】
なお、上記の図２５、２６、２７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。
【０１００】
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、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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
図２８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２８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。
【０１０３】
なお、このようにスロート部３の内径ＤＴ、または内部断面積Ａ１を小さくすると、単位蒸気インジェクタ１０の吐出量は少なくなるが、本実施の形態１に係る蒸気インジェクタ１００のように、複数の単位蒸気インジェクタ１０を集積した構成とすることによって、小型であり、高い吐出圧を実現しつつ、吐出量の量を多くすることができる。
【０１０４】
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。図２９は、作製した単位蒸気インジェクタ（サンプル１）の構成を模式的に示す図である。なお、サンプル１では図２９に示すようにドレイン管５および逆止弁６を設けた。サンプル１のＡｓ０／Ａｗ０は３６．２とした。また、その他に６種類のサンプルを作製した。すなわち、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２７に示す構成のもので、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２９に示す構成に、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。
【０１０５】
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、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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
（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。
【０１０８】
（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。
【０１０９】
図３０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３０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。
【０１１０】
図３０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。
【０１１１】
（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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
なお、上記実施の形態では、２枚の板状の構成部材を接合することによって、単位上記インジェクタおよび冷媒流合流部の構成を形成するようにしているが、たとえば２以上の板状または非板状の構成部材を接合することによって、単位上記インジェクタおよび冷媒流合流部の構成が形成されるように、各構成部材の形状を設計してもよい。
【０１１５】
また、上記実施の形態では、蒸気インジェクタは、一組の構成部材が接合して形成されているが、本発明はこれに限定されず、他の方法によって形成してもよい。
【０１１６】
また、上記実施の形態で、複数の単位蒸気インジェクタは、その混合部、スロート部、およびディフューザ部のサイズ（内部断面積や長さ、角度）が、複数の単位蒸気インジェクタ間で互いに同一でもよいし、互いに異なるものが含まれていてもよい。各単位蒸気インジェクタのサイズが互いに同じである構成では、ある動作条件においてより吐出量を多くかつ吐出圧を高くすることができる。一方、互いにサイズが異なる単位蒸気インジェクタが含まれている構成では、各単位蒸気インジェクタの最適動作条件が互いにずれるようにサイズを設計しておけば、動作条件が変化した場合でも、その動作条件で動作する単位蒸気インジェクタが含まれるようにできる。その結果、広い動作条件で動作する蒸気インジェクタを実現することができる。
【０１１７】
また、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】
【０１１８】
１、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  単位蒸気インジェクタ
２０  圧縮器
３０  凝縮器
４０  蒸発器
５０  気液分離器
１００  蒸気インジェクタ
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５  板状構成部材
１０１ａ、１０２ａ  冷媒液供給口
１０１ｂ、１０２ｂ  冷媒蒸気排出口
１０２ｃ、１０５ａ  冷媒液排出口
１０２ｄ、１０５ｂ  冷媒蒸気供給口
１０２ｅ  冷媒液流路
１０２ｆ  冷媒蒸気流路
１０２ｇ  冷媒流合流流路
１０６  冷媒流吐出口
１０００、２０００  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】
2014218939.tif 000006
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2014218939.tif 000022
【図１８】
2014218939.tif 000023
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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