(57)【要約】【課題】  本発明は、１次流体の損失が少なく、効果的に２次流体を圧縮することのできるエジェクタ及びこのエジェクタを用いる流体の圧縮方法、並びにこのエジェクタを備えた効率の高い冷熱生成システム、真空ポンプシステムを提供することを目的とする。【解決手段】  １次流体が噴出されるノズル７が設けられ、回転軸５ａを中心に回転するロータ６と、該ロータ６が嵌め込まれるハウジング１１を備え、ロータ６とハウジング１１の間にクリアランス１０を有し、１次流体は、１次流体よりも全圧の低い２次流体を圧縮するエジェクタ１であって、１次流体の一部は、クリアランス１０から噴出され、２次流体は、クリアランス１０から噴出された１次流体の一部により補助的に圧縮されるものである。【選択図】        図１
2006200383.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次流体が噴出されるノズルが設けられ、回転軸を中心に回転するロータと、該ロータが嵌め込まれるハウジングを備え、前記ロータと前記ハウジングの間にクリアランスを有し、前記１次流体は、該１次流体よりも全圧の低い２次流体を圧縮するエジェクタであって、
前記１次流体の一部は、前記クリアランスから噴出され、前記２次流体は、前記クリアランスから噴出された１次流体の一部により補助的に圧縮されることを特徴とするエジェクタ。
【請求項２】
前記クリランスは絞り部及び該絞り部に連通する拡大部を備え、前記クリアランスはノズル形状を有することを特徴とする請求項１記載のエジェクタ。
【請求項３】
前記クリアランスは、前記ノズルと略平行に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載のエジェクタ。
【請求項４】
前記ロータは、駆動動力源により回転させられることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエジェクタ。
【請求項５】
前記ロータは、前記１次流体の噴流によって回転させられることを特徴とする請求項１又は２記載のエジェクタ。
【請求項６】
前記クリアランスにおける出口横断面面積と最小横断面面積の比は、前記ノズルにおける出口横断面面積と最小横断面面積の比と略同一であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のエジェクタ。
【請求項７】
前記１次流体及び前記２次流体が通過し、前記１次流体及び前記２次流体が通過する際に前記２次流体が前記１次流体により圧縮される流路を備え、該流路は、前記１次流体及び前記２次流体がその内部を通過するディフューザーのみで構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のエジェクタ。
【請求項８】
１次流体が噴出されるノズルが設けられ、回転軸を中心に回転するロータと、該ロータが嵌め込まれるハウジングを備え、前記ロータと前記ハウジングの間にクリアランスを有し、前記１次流体は、該１次流体よりも全圧の低い２次流体を圧縮するエジェクタを用いる流体の圧縮方法であって、
前記１次流体の一部を前記クリアランスから噴出し、前記２次流体を前記クリアランスから噴出した１次流体の一部により補助的に圧縮することを特徴とする流体の圧縮方法。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれかに記載のエジェクタを備えていることを特徴とする冷熱生成システム。
【請求項１０】
請求項１〜７のいずれかに記載のエジェクタを備えていることを特徴とする真空ポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エジェクタ及び流体の圧縮方法、冷熱生成システム並びに真空ポンプシステムに関し、特に１次流体による２次流体の圧縮効率が高いエジェクタ及びこのエジェクタを用いる流体の圧縮方法、並びにこのエジェクタを備えた冷熱生成システム、真空ポンプシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の圧力交換式エジェクタ及び冷熱生成装置では、固定されたハウジングに回転するロータが嵌め込まれており、ロータに設けられたノズルから螺旋状に噴出される１次流体によって１次流体よりも全圧の低い２次流体を圧縮するようにしていた。この圧力交換式エジェクタでは、ハウジングとロータの間のクリアランス（隙間）をシール手段で塞ぐようにしていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また従来のその他の圧力交換式エジェクタでは、羽根のついたロータを回転させることにより１次流体を螺旋状にして２次流体を圧縮するようにしていた（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】米国特許第５６４７２２１号明細書（図１）
【特許文献２】米国特許第６１３８４５６号明細書（図１、図７、図１１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし従来の圧力交換式エジェクタ及び冷熱生成装置では（例えば、特許文献１参照）、静止しているハウジングと回転しているロータの間のクリアランスをシール手段で塞いでいるものの、相対速度を有する物体間のシールであるが故に１次流体の漏洩を完全に防止することは極めて困難であった。高速の相対速度を有する物体間のシールにおいては、両物体間に微小なクリアランスを設けて相対運動を阻害しないようにすることが一般的であり、高圧の１次流体が低圧の２次流体側へクリアランスを通じて漏れてしまい、ノズルから噴出する１次流体の圧力が低下して２次流体の圧縮効率が低下してしまうという問題点があった。また、シール目的で設けられたクリアランスは、漏洩量を抑制するためにラビリンス形状等の圧力損失が大きくなる形状とする必要がある。そのため、シールを通過して漏洩してくる１次流体は有効エネルギーを消費してしまっており、２次流体の圧縮に寄与できないばかりか、他の流れを阻害して圧縮効率を低下させてしまうという問題点があった。
さらに、仮にシール手段をロータに接触させてクリアランスを完全に塞いだ場合には、シール手段によってロータの高速回転が阻害され螺旋状の１次流体を生成することが困難になるという問題点があった。また、シール手段をロータに接触させると、すぐにシール手段が摩耗してしまい、シール手段を頻繁に交換しなければならないという問題点があった。
【０００５】
また従来のその他の圧力交換式エジェクタでは（例えば、特許文献２参照）、羽根のついたロータを回転させることにより１次流体を螺旋状にして２次流体を圧縮しているものの、１次流体が羽根にぶつかるため乱流等が発生して１次流体のエントロピーが増大し、有効エネルギーの損失が起こるという問題点があった。
【０００６】
本発明は、１次流体の損失が少なく、効果的に２次流体を圧縮することのできるエジェクタ及びこのエジェクタを用いる流体の圧縮方法、並びにこのエジェクタを備えた効率の高い冷熱生成システム、真空ポンプシステム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】
【０００７】
本発明に係るエジェクタは、１次流体が噴出されるノズルが設けられ、回転軸を中心に回転するロータと、該ロータが嵌め込まれるハウジングを備え、ロータとハウジングの間にクリアランスを有し、１次流体は、１次流体よりも全圧の低い２次流体を圧縮するエジェクタであって、１次流体の一部は、クリアランスから噴出され、２次流体は、クリアランスから噴出された１次流体の一部により補助的に圧縮されるものである。
【０００８】
また本発明に係るエジェクタは、上記のクリランスが絞り部及び該絞り部に連通する拡大部を備え、クリアランスがノズル形状を有するものである。
【０００９】
また本発明に係るエジェクタは、上記のクリアランスが、ノズルと略平行に配置されているものである。
【００１０】
また本発明に係るエジェクタは、上記のロータが、駆動動力源により回転させられるものである。
【００１１】
また本発明に係るエジェクタは、上記のロータが、１次流体の噴流によって回転させられるものである。
【００１２】
また本発明に係るエジェクタは、上記のクリアランスにおける出口横断面面積と最小横断面面積の比が、ノズルにおける出口横断面面積と最小横断面面積の比と略同一であるものである。
【００１３】
また本発明に係るエジェクタは、上記の１次流体及び２次流体が通過し、１次流体及び２次流体が通過する際に２次流体が１次流体により圧縮される流路を備え、該流路が、１次流体及び２次流体がその内部を通過するディフューザーのみで構成されているものである。
【００１４】
本発明に係る流体の圧縮方法は、１次流体が噴出されるノズルが設けられ、回転軸を中心に回転するロータと、該ロータが嵌め込まれるハウジングを備え、ロータとハウジングの間にクリアランスを有し、１次流体は、１次流体よりも全圧の低い２次流体を圧縮するエジェクタを用いる流体の圧縮方法であって、１次流体の一部をクリアランスから噴出し、２次流体をクリアランスから噴出した１次流体の一部により補助的に圧縮するものである。
【００１５】
本発明に係る冷熱生成システムは、上記のいずれかのエジェクタを備えているものである。
【００１６】
本発明に係る真空ポンプシステムは、上記のいずれかのエジェクタを備えているものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るエジェクタ及び流体の圧縮方法では、従来シールから有効エネルギーを消費しつつ漏れていた１次流体を積極的にクリアランスから噴出させることにより２次流体の圧縮に寄与させるため１次流体を無駄なく用いることができ、またノズルから噴出した１次流体や２次流体の流れを阻害することがないため、２次流体の圧縮効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
実施形態１．
図４は、本発明の実施形態１に係るエジェクタの原理を説明するための縦断面図である。なお図４に示すエジェクタ１００は、特開２００３−２５４３００号公報に記載されたものであるが、本実施形態１に係るエジェクタ１も図４に示すエジェクタ１００と同様の原理を採用した圧力交換式エジェクタである。
図４に示すエジェクタ１００では、テール部材１０１に内蔵されたモータ１０２によって、ノズル１０３が設けられたロータ１０４を強制的に回転させている。例えばフロン、代替フロン等からなる高圧の１次流体は、１次流体供給配管１０５を通ってロータ１０４に供給され、回転しているロータ１０４のノズル１０３から噴出する。このため、ノズル１０３からほぼエジェクタ１００の中心軸方向に噴出する１次流体の噴流に回転力が与えられ、１次流体噴流はエジェクタ１００の中心軸方向に大きな速度成分を持つとともに、エジェクタ１００の中心軸に巻き付く形のらせん型押出し流となり、らせん型の１次流体塊１１０が生成される。なお図４に示すエジェクタ１００では、１次流体供給配管１０５とロータ１０４の間に軸受（図４において図示せず）を設けてロータ１０４を支持すると共に、シール（図４において図示せず）を設けて１次流体供給配管１０５とロータ１０４の間から漏れる１次流体を低減するようにしている。
【００１９】
また図４に示すエジェクタ１００では、１次流体供給配管１０５の周囲から１次流体よりも全圧の低い２次流体が供給される。なお図４では、２次流体を供給する配管は省略している。また２次流体は、例えばフロン、代替フロン等からなるものとする。エジェクタ１００に供給された２次流体は、らせん型の１次流体塊１１０の狭間に吸引・保持されてらせん状の２次流体塊１１１となる。らせん状の１次流体塊１１０と、らせん状の２次流体塊１１１の界面は、エジェクタ軸方向に平行ではなく、らせんの強さ（ピッチ）に応じた角度を有する。さらに、１次流体塊１１０と２次流体塊１１１は、ノズル１０３が設けられたロータ１０４の下流側において、テール部材１０１とディフューザ１０６の間の環状流路１０７を流れる間に、両流体の圧力差に起因して、らせん状の１次流体塊１１０が膨張しつつらせん状の２次流体塊１１１を容積的に圧縮し、すなわち両流体の界面を介してエネルギー（圧力）の授受を行う。らせん状の１次流体塊１１０とらせん状の２次流体塊１１１は、上記膨張・圧縮により概略等エネルギー状態となった後に混合し、ディフューザ１０６の内部で速度エネルギーを圧力エネルギーに変換し、流出配管（図示せず）から流出する。
【００２０】
図１は、本発明の実施形態１に係るエジェクタの縦断面図である。なお本実施形態１に係るエジェクタ１は、図４に示すエジェクタ１００と同様にらせん状の１次流体によってらせん状の２次流体を圧縮する圧力交換式エジェクタである。但し図１に示すエジェクタ１では、テール部材１０１に相当する構成要素は設けられておらず、１次流体及び２次流体の流路９がディフーザー８のみで構成されているものとする。
図１に示すエジェクタ１は、１次流体供給配管２、２次流体供給配管３、１次流体供給配管２の内部にアーム４を介して固定されたモータ５を備えており、１次流体供給配管２の先端部の内部に回転自在に嵌め込まれたロータ６を回転させる。なおロータ６は回転軸５ａに取り付けられており、モータ５が回転軸５ａを回転させることによりロータ６が回転する。またロータ６には、複数のノズル７（本実施形態１に係るエジェクタ１では４つ、図２（ｂ）参照）が設けられている。さらに図１に示すエジェクタ１はディフューザ８を備えており、ディフューザ８の内部はらせん状の１次流体及びらせん状の２次流体が通過する流路９となっている。
また本実施形態１に係るエジェクタ１では、１次流体供給配管２とロータ６の間にクリアランス（隙間）１０が設けられている。
なお本実施形態１において、ロータ６以外の構成要素であって１次流体供給配管２等の固定された部分をハウジング１１と総称するものとする。
【００２１】
本実施形態１に係るエジェクタ１は、１次流体供給配管２の先端部の内部に回転自在に嵌め込まれたロータ６をモータ５により強制的に回転させる構成となっている。このようなエジェクタ１の構成によると、ロータ６に複数設けられたノズル７をモータ５により回転させるので、ノズル７から噴出する１次流体の噴流は、ディフューザ８内において１次流体のらせん流を形成する。このらせん流の速度成分は、エジェクタ軸方向に大きな速度成分を持つ。２次流体はこの１次流体らせん流のらせんとらせんの間に保持され、あたかもらせん形状のピストンで押されるようにして運搬される（図４参照）。このとき、１次流体と２次流体の界面は、流体の速度方向に対して平行ではなく、らせんの強さに応じた角度を有するため、２次流体を１次流体によるせん断により巻き込む従来方式に比較してエントロピの増大、すなわち有効エネルギーの損失を低減することができる。さらに、１次流体と２次流体が、その界面を介してエネルギー（圧力）を交換して概略等エネルギー状態となった後に混合するため、エネルギー状態の異なる流体が直接混合する場合に比較して有効エネルギー損失を抑制することができる。これらの効果により、エジェクタの効率が向上する。この１次流体および２次流体のらせん流は「非定常流(Ｎｏｎ−Ｓｔｅａｄｙ  Ｆｌｏｗ）」と呼ばれている。ここに、非定常流とは、流量、速度、圧力、温度などの状態が時間的、空間的に変化する流れをいう。
【００２２】
図２は、本発明の実施形態１に係るエジェクタにおけるロータの周辺部を示した図である。なお図２（ａ）は、ロータ６の周辺部を示した縦断面拡大図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の矢印Ｂ方向から見たロータ６の拡大図である。図２では、図１と同じエジェクタ１を示しており、同じ構成要素には同じ符号を付して説明する。
図２（ａ）に示すように、１次流体供給配管２の先端部の内部にロータ６が回転自在に嵌め込まれており、ロータ６は回転軸５ａを介してモータ５によって回転させられる（図１参照）。これによりノズル７から噴出する１次流体は、上述のようにらせん流となる。
また図２（ｂ）に示すように、ロータ６と１次流体供給配管２の間のクリアランス１０はほぼ円筒状となっており、本実施形態１に係るエジェクタ１ではクリアランス１０からも１次流体の一部を噴出するようになっている。なお本実施形態１に係るエジェクタ１では、クリアランス１０が単純な円筒状であるためクリアランス１０から噴出される１次流体がらせん状にならないが、例えば特許文献２の図７に示すような羽根をロータ６のクリアランス１０に面する部分に設けることにより、クリアランス１０から噴出される１次流体をらせん状にするようにしてもよい。
このクリアランス１０から噴出された１次流体は、２次流体供給配管３から供給された２次流体を補助的に圧縮する。このように本実施形態１に係るエジェクタ１では、クリアランス１０にシール等の１次流体の漏れを防止する部材を設けず、積極的にクリアランス１０から１次流体を噴出することにより２次流体を圧縮するようにしている。
【００２３】
またクリアランス１０には、図２（ａ）の矢印Ｂ方向に見て他の部分よりも横断面面積が小さくなった絞り部１０ａ及び絞り部１０ａに連通する拡大部１０ｂが設けられている。この絞り部１０ａ及び絞り部１０ａに連通する拡大部１０ｂはノズル形状を形成するものであり、クリアランス１０から噴出する１次流体の物理的条件（静圧やマッハ数等）を決定するものである。なお図２（ａ）では、１次流体供給配管２の内壁及びロータ６の外壁の両方に突起を設けて絞り１０ａを構成しているが、例えば１次流体供給配管２の内壁又はロータ６の外壁のどちらか一方に突起を設けて絞り１０ａを構成するようにしてもよい。
【００２４】
本実施形態１に係るエジェクタ１では、クリアランス１０とノズル７が平行に配置されている。ここでクリアランス１０とノズル７が平行であるとは、円筒状のクリアランス１０の中心軸と個々のノズル７の中心軸が平行であることをいうものとする。クリアランス１０とノズル７を平行に配置することにより、クリアランス１０から噴出する１次流体とノズル７から噴出する１次流体がほぼ平行となり、乱流等の発生による有効エネルギーの損失を抑制することができる。
また本実施形態１に係るエジェクタ１では、クリアランス１０における出口横断面面積と最小横断面面積の比が、ノズル７における出口横断面面積と最小横断面面積の比とほぼ同一となるように設計されている。なお図２（ａ）において、クリアランス１０の横断面面積が最小となる部分は絞り１０ａの部分であり、ノズル７の横断面面積が最小となる部分は絞り７ａの部分である。一般に、ノズル形状における出口横断面面積と最小横断面面積の比がノズルから噴出する噴流の物理的条件（静圧やマッハ数等）を決定する。通常、ノズル７は効果的に２次流体を圧縮できるような出口横断面面積と最小横断面面積の比に設計してあり、クリアランス１０の形状もこれと略同一とすることによって、クリアランス１０からの１次流体噴流が効果的に２次流体を圧縮可能となる。
【００２５】
なお本実施形態１では、ロータ６の駆動動力源として電動モータ等からなるモータ５を使用しているが、ロータ６の駆動動力源としてエンジン等を使用するようにしてもよい。
またロータ６の駆動動力源（モータ５等）を使用せず、ロータ６を１次流体の噴流によって回転させるようにしてもよい。これは例えばロータ６に設けられるノズル７を、回転軸５ａに対して斜めに設置して、噴出する噴流の反動でいわゆるタービンのように回転させるものである。このような構成によっても１次流体をらせん状にすることができる。
【００２６】
本実施形態１では、従来クリアランスから漏れていた１次流体をクリアランス１０から積極的に噴出させることにより２次流体を補助的に圧縮するため、１次流体を無駄なく用いることができ、またクリアランスから漏れた１次流体が２次流体の圧縮を阻害することがないため、２次流体の圧縮効率を向上させることができる。
またテール部材１０１を設けず、１次流体及び２次流体の流路９をディフーザー８のみで構成しているため、１次流体及び２次流体がテール部材１０１に接触することによる摩擦損失を低減することができる。
【００２７】
実施形態２．
図３は、実施形態１に示すエジェクタを備えた冷熱生成システムのシステム構成を示した図である。なお図３に示す冷熱生成システムは例示であり、実施形態１に係るエジェクタ１を備えた冷熱生成システムは図３に示されるものに限定されない。
図３に示す冷熱生成システムでは、エジェクタ１に一次流体の供給手段として蒸気発生器３２の駆動蒸気配管３３が接続されている。またエジェクタ１には二次流体の供給手段として蒸発器３４の二次蒸気配管３５が接続されている。また、エジェクタ１は混合気排出管３６により凝縮器３７に接続され、凝縮器３７と蒸気発生器３２は蒸気発生器戻りポンプ３８をもつ蒸気発生器戻り配管３９で接続され、凝縮器３７と蒸発器３４は減圧弁４０をもつ蒸発器戻り配管４１で接続されている。
凝縮器３７に流入する一次流体の駆動蒸気と二次蒸気の混合気は凝縮器３７の冷却水熱交換器４２により冷却され、凝縮する。凝縮した液体は、蒸気発生器戻り配管３９を経由して蒸気発生器３２に戻されると同時に、蒸発器戻り配管４１により蒸発器３４に戻される。
蒸発器３４内の二次蒸気がエジェクタ１により吸引される際に発生する二次蒸気の気化熱（蒸発潜熱）により温度低下、すなわち冷凍が発生し、蒸発器３４に接続されている冷熱負荷４３を冷却する。
【００２８】
なお、蒸気発生器３２に接続されている熱交換器４４の熱源としては、電力や燃料の燃焼によるもののほか、工場排熱や排ガス熱なども利用される。また、一次、二次流体の冷媒としては、フロン、代替フロン、水、アルコール、アンモニア、炭化水素、あるいはこれらの混合物などが利用される。
また本実施形態２では、実施形態１に係るエジェクタ１を用いた冷熱生成システムを示しているが、実施形態１に係るエジェクタ１は例えば真空ポンプシステムに用いることもできる。この真空ポンプシステムは、例えば図３の冷熱生成システムにおいて、凝縮器３７から蒸発器戻り配管４１を経由して蒸発器３４に凝縮した液体を戻すことを行わず、蒸発器３４から２次流体を吸引のみを行うことにより構成することができる。
【００２９】
なお本発明に係るエジェクタ及び流体の圧縮方法、冷熱生成システム並びに真空ポンプシステムは、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の思想の範囲内において変更することができる。例えば図１に示すエジェクタ１において、モータ５をディフーザー８の内部に設けるようにしてもよい。また、図１ではクリアランス１０の出口とノズル７の出口が同一横断面上に配置されているが、それぞれの出口の位置を軸方向に異なる横断面上に配置してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態１に係るエジェクタの縦断面図。
【図２】実施形態１に係るエジェクタにおけるロータの周辺部を示した図。
【図３】実施形態１に示すエジェクタを備えた冷熱生成システムのシステム構成を示した図。
【図４】本発明の実施形態１に係るエジェクタの原理を説明するための縦断面図。
【符号の説明】
【００３１】
１  エジェクタ、２  １次流体供給配管、３  ２次流体供給配管、４  アーム、５  モータ、５ａ  回転軸、６  ロータ、７  ノズル、８  ディフューザ、９  流路、１０  クリアランス、１１  ハウジング。
【図１】
2006200383.tif 000003
【図２】
2006200383.tif 000004
【図３】
2006200383.tif 000005
【図４】
2006200383.tif 000006