(57)【要約】【課題】  変位手段がニードルを変位できる範囲において、より精密に冷媒流量を調節するとともに、全開時の冷媒流量を増加できる可変容量型エジェクタの提供を目的とする。【解決手段】  絞り部１８ｂの軸線Ｒ方向に変位することにより、ノズル１８の開度（喉部面積）を変化させるニードル弁２４において、第１テーパ２４ａよりも喉部１８ａ側に第２テーパ２４ｂを形成し、第２テーパ２４ｂのテーパ角度θ２を第１テーパ２４ａのテーパ角度θ１よりも大きく形成する。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流入口（１６）から高圧流体が流入する高圧空間（１７）と、
前記高圧空間（１７）から喉部（１８ａ）へ向かって前記高圧流体の通路面積を縮小する絞り部（１８ｂ）を有する絞り手段（１８）と、
前記絞り部（１８ｂ）の軸線（Ｒ）方向に変位することにより、前記絞り手段（１８）の開度を変化させるニードル弁（２４）と、
前記ニードル弁（２４）の喉部（１８ａ）側端部に形成されるテーパ形状（２４ａ、２４ｂ）と、
流体が流入する第２流入口（１９）を有する空間であって、内部に前記絞り手段（１８）が配置され、前記喉部（１８ａ）から高速で噴出する作動流体の巻き込み作用によって前記第２流入口（１９）から前記流体が吸引される吸入空間（２３ａ）とを備え、
前記テーパ形状（２４ａ、２４ｂ）は複数であり、さらに、それぞれ異なるテーパ角度（θ１、θ２）で形成されていることを特徴とするエジェクタ。
【請求項２】
前記複数のテーパ形状（２４ａ、２４ｂ）のうち、前記絞り部（１８ｂ）の開度を変化させる一のテーパ形状（２４ａ）のテーパ角度（θ１）は、他のテーパ形状（２４ｂ）のテーパ角度（θ２）よりも小さくなるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のエジェクタ。
【請求項３】
前記複数のテーパ形状（２４ａ、２４ｂ）は、前記ニードル弁（２４）の喉部（１８ａ）側端部へ向かう順に前記テーパ角度（θ１、θ２）が大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のエジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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（ＪＩＳ  Ｚ  ８１２６  番号２．１．２．３等参照）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給湯器、冷凍機、車両用空調装置等に適用して有効である。
【背景技術】
【０００２】
従来、冷媒減圧手段および冷媒循環手段であるエジェクタにおいて、エジェクタを通過する冷媒の流量を調節するものが特許文献１にて知られている（以下従来例と称す）。
【０００３】
この従来例は、本発明の第１実施形態と同様に可変流量型エジェクタを給湯器のサイクル（エジェクタサイクル、図１）に適用したものであり、エジェクタの構成（図２）も本実施形態とほぼ同構成である。しかし、ノズル１８側のニードル２４端部に形成されたテーパ５０の形状が異なる。
【０００４】
従来例のテーパ５０は、図８に示すように１つのテーパ角度θ３で形成されている。そして、変位手段によりニードル２４をノズルの軸線方向（図８中、上下方向）Ｒに変位させて、喉部１８ａ、つまりノズル１８の開度（冷媒が通過可能な流路面積）を変化させることができる。つまり、ノズル１８を通過する冷媒の流量を増減することができる。
【０００５】
従来例では、ニードル弁２４が冷媒噴出方向（図８中、下方向）Ｒ１に変位するとノズル１８の開度が小さくなり、冷媒噴出方向とは反対方向（図８中、上方向）Ｒ２に変位するとノズル１８の開度が大きくなる。
【０００６】
これによると、圧縮機が高回転、つまりエジェクタに流入する冷媒が多い時にはノズル１８の開度を大きくして、ノズル１８（エジェクタ）を通過する冷媒量を増やすことができる。したがって、エジェクタサイクルの蒸発器において冷媒がより多くの熱を吸熱し、水冷媒熱交換器（放熱器）においてより多くの熱を給湯水に放熱することができる。つまり、サイクルを流れる冷媒量が多い時の給湯水の加熱能力を向上することができる。
【特許文献１】特開２００３−９０６３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１のエジェクタでは、より精密に冷媒流量を調節してサイクルの安定性を得るために、ニードル２４の変位量あたりの喉部面積変化量を小さくするとテーパ５０のテーパ角度θ３も小さくなる。この時、当然にテーパ５０の長さは長くなってしまう。
【０００８】
ところが、変位手段がニードル５０を軸線方向Ｒに変位できる範囲は限られているため、テーパ角度θ３が小さい場合には喉部面積を全開に出来ないという問題が起こる。このため、特に冷媒の流量が多い場合に高圧側圧力が上昇し易くなり、圧縮機の回転数を下げる等の制御をしなければならない。
【０００９】
本発明は、上記点に鑑み、変位手段がニードルを変位できる範囲において、より精密に冷媒流量を調節するとともに、全開時の冷媒流量を増加させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、エジェクタにおいて、流入口（１６）から高圧流体が流入する高圧空間（１７）と、高圧空間（１７）から喉部（１８ａ）へ向かって高圧流体の通路面積を縮小する絞り部（１８ｂ）を有する絞り手段（１８）と、絞り部（１８ｂ）の軸線（Ｒ）方向に変位することにより、絞り手段（１８）の開度を変化させるニードル弁（２４）と、ニードル弁（２４）の喉部（１８ａ）側端部に形成されるテーパ形状（２４ａ、２４ｂ）と、流体が流入する第２流入口（１９）を有する空間であって、内部に絞り手段（１８）が配置され、喉部（１８ａ）から高速で噴出する作動流体の巻き込み作用によって第２流入口（１９）から流体が吸引される吸入空間（２３ａ）とを備え、
テーパ形状（２４ａ、２４ｂ）が複数であり、さらに、それぞれ異なるテーパ角度（θ１、θ２）で形成されていることを特徴としている。
【００１１】
これにより、あるテーパ形状（２４ａ、２４ｂ）では、テーパ角度（θ１、θ２）を小さくして、ニードル（２４）の変位に対する絞り手段（１８）の開度変化を小さく、つまりより精密に絞り手段（１８）の開度を制御できる。
【００１２】
また、別のテーパ形状（２４ａ、２４ｂ）では、テーパ角度（θ１、θ２）を大きくしてテーパ形状（２４ａ、２４ｂ）の全長を短くすることができる。したがって、ニードル弁（２４）の変位量が少ない場合であっても、より確実に絞り手段（１８）の開度を全開とすることができ、冷媒の流量を増加させることができる。
【００１３】
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、複数のテーパ形状（２４ａ、２４ｂ）のうち、絞り手段（１８）の開度を変化させる一のテーパ形状（２４ａ）のテーパ角度（θ１）は、他のテーパ形状（２４ｂ）のテーパ角度（θ２）よりも小さくなるように形成されていることを特徴としている。
【００１４】
これによると、絞り手段（１８）の開度を変化させる一のテーパ形状（２４ａ）のテーパ角度（θ１）が他のテーパ形状（２４ｂ）のテーパ角度（θ２）よりも小さいため、ニードル弁（２４）の軸線方向（Ｒ）変位に対する絞り手段（１８）の開度変化を小さくできる。つまり、より精密に絞り手段（１８）の開度を制御することができる。
【００１５】
また、請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載のエジェクタにおいて、複数のテーパ形状（２４ａ、２４ｂ）がニードル弁（２４）の喉部（１８ａ）側端部へ向かう順にテーパ角度（θ１、θ２）が大きくなるように形成されていることを特徴としている。
【００１６】
これによると、従来例のようにテーパ角度が１つの場合に比べて、喉部側（１８ａ）端部に向かう順にテーパ形状（２４ａ、２４ｂ）のテーパ角度（θ１、θ２）を大きくするため、テーパ形状（２４ａ、２４ｂ）の長さを短くできる。したがって、ニードル弁（２４）の変位量が少ない場合であっても、より確実に絞り手段（１８）の開度を全開とすることができ、より多くの冷媒を流すことができる。
【００１７】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（第１実施形態）
本実施形態は、本発明に係るエジェクタサイクルを、二酸化炭素を冷媒とするヒートポンプ式の給湯器に適用したものであり、図１は本実施形態に係るエジェクタサイクルの模式図である。
【００１９】
１１は電動モータ等の駆動源（図示せず。）から駆動力を得て冷媒を吸入圧縮する圧縮機１１である。この圧縮機１１から吐出された高温・高圧冷媒は、水冷媒熱交換器１２（以下、放熱器と呼ぶ。）に流入し、給湯水と熱交換して給湯水を加熱する、言い換えると、冷媒は給湯水により冷却される。また、１３は室外空気と液相冷媒とを熱交換させて液相冷媒を蒸発させることにより外気から熱を奪う蒸発器１３である。
【００２０】
１４は放熱器１２から流出する冷媒を減圧膨張させて蒸発器１３にて蒸発した気相冷媒を吸引するとともに、膨張エネルギーを圧力エネルギーに変換して圧縮機１１の吸入圧を上昇させるエジェクタ１４である。なお、エジェクタ１４の詳細構造は後述する。
【００２１】
なお、図１には蒸発器１３としてサーペンタイン状のものが描かれているが、これは熱交換器を模式的に描いたもので、蒸発器１３はサーペンタイン式の熱交換器に限定されるものではなく、多数本のチューブとタンクとからなる、いわゆるマルチフロー型の熱交換器であってもよい。
【００２２】
また、１５はエジェクタ１４から流出した冷媒が流入するとともに、その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る気液分離器１５であり、分離された気相冷媒は圧縮機１１に吸引され、分離された液相冷媒は蒸発器１３側に吸引される。
【００２３】
ちなみに、気液分離器１５と蒸発器１３とを結ぶ冷媒通路は蒸発器１３に吸引される冷媒を減圧して蒸発器１３内の圧力（蒸発圧力）を確実に低下させるために、キャピラリチューブや固定絞りのごとく、冷媒が流通することにより所定の圧力損失が発生するように設定されている。
【００２４】
なお、圧縮機１１の摺動部分の潤滑およびシール性を確保するために、冷媒には潤滑油（冷凍機）が混合されている。本実施形態では、潤滑油（ＰＡＧ）が気液分離器１５内で冷媒と分離した状態となり、気液分離器１５の最下層に溜まるのでＵ字状の気相冷媒排出管１５ａの最下部に設けられたオイル戻し穴１５ｂから潤滑油（を多く含む液相冷媒）を吸引して気相冷媒と共に圧縮機１１に供給している。
【００２５】
次に、図２を使用してエジェクタ１４について説明すると、エジェクタ１４は特許文献１などで周知の冷媒の流量を変化できる可変流量型エジェクタである。まず、放熱器１２から流出した冷媒は、流入ポート１６を通ってエジェクタ１４内の高圧空間１７へ流入し、ノズル１８の喉部１８ａ方向へ流れる。高圧空間１７とノズル１８の喉部１８ａとの間には、冷媒の通路面積を徐々に小さくしていく絞り部１８ｂが配置されている。
【００２６】
この絞り部１８ｂは、放熱器１２から流出した高圧冷媒の圧力エネルギー（圧力ヘッド）を速度エネルギー（速度ヘッド）に変換して冷媒を減圧膨張させるものである。本実施形態では、ノズル１８として通路途中に通路面積が最も縮小した喉部１８ａを有する末広ノズル（ｄｉｖｅｒｇｅｎｔ  Ｎｏｚｚｌｅ、ｄｅ  Ｌａｖａｌ  Ｎｏｚｚｌｅ）を採用している。
【００２７】
ノズル１８で高速となった冷媒は、噴出口１８ｃから吸入空間２３ａに噴出する。吸入空間２３ａは、蒸発器１３で気相となった冷媒がエジェクタ１４内に流入する気相流入ポート１９と連通している。したがって、ノズル１８から噴射する高い速度の冷媒流（ジェット流）の巻き込み作用により、蒸発器１３で気相となった冷媒がエジェクタ１４内に吸引される。
【００２８】
気相流入ポート１９から吸引される気相冷媒と、ノズル１８から噴射される高い速度の冷媒流（ジェット流）は、混合部２０で混合されながらディフューザ２１へ流れる。ディフューザ２１は、混合された冷媒の速度エネルギーを圧力エネルギーに変換し冷媒の圧力を昇圧させている。昇圧された冷媒は、流出ポート２２を通って気液分離器１５へ流入する。
【００２９】
なお、ディフューザ２１および混合部２０は、ノズル１８を収納するハウジング２３により形成されており、ノズル１８はハウジング２３に圧入により固定されている。ちなみに、ノズル１８およびハウジング２３はステンレス製である。
【００３０】
ところで、本実施形態のエジェクタ１４では、ニードル弁２４がノズルの中心軸Ｒ方向に変位することにより、エジェクタ１４を通過する冷媒の量を制御している。このニードル弁２４について図２〜図４を使用して説明する。ニードル弁２４は略針形状をしており、軸方向端部のうちノズル１８側端部には、ノズル１８側に向かうほど断面積が縮小するように２つの異なる角度θ１、θ２を有する第１、第２テーパ２４ａ、２４ｂが形成されている。
【００３１】
ここでテーパ角度θ１、θ２とは、絞り部１８ｂの軸線Ｒとテーパ面が交差する角度のことを言う（図４参照）。本実施形態では、第１テーパ２４ａのテーパ角度θ１がニードル弁２４の喉部１８ａ側の第２テーパ形状２４ｂのテーパ角度θ２よりも小さくなっている。なお、第１テーパ角度θ１は約１５°、第２テーパ角度θ２は約５０°であるが当然にテーパ角度はこの値に限定されるものではなく様々に変更可能である。一方、ニードル弁２４のノズルと反対側端部は電気式のアクチュエータ２５に固定されている。
【００３２】
本実施形態では、アクチュエータ２５としてステッピングモータを採用しており、ニードル弁２４はアクチュエータ（ステッピングモータ）２５のマグネットロータ２５ａとネジ結合２５ｃしている。このため、マグネットロータ２５ａが回転すると（つまり、ステッピングモータに所定量のステップ数が入力されると）、ニードル弁２４は、ロータ２５ａの回転角とネジ２５ｃのリードとの積に比例した量だけ軸方向に変位する。なお、２５ｂは、磁界を発生させる励磁コイル２５ｂである。
【００３３】
なお、混合部２０においては、駆動流の運動量と吸引流の運動量との和が保存されるように駆動流と吸引流とが混合するので、混合部２０においても冷媒の圧力が（静圧）が上昇する。一方、ディフィーザ２１においては、前述のごとく、通路断面積を徐々に拡大することにより、冷媒の速度エネルギー（動圧）が圧力エネルギー（静圧）に変換される。したがって、エジェクタ１４においては、混合部２０およびディフィーザ２１の両者にて冷媒圧力が昇圧される。
【００３４】
理想的なエジェクタ１４においては、混合部２０で駆動流の運動量と吸引流冷媒の運動量との和が保存されるように冷媒圧力が増大し、ディフィーザ２１でエネルギーが保存されるように冷媒圧力が増大することが望ましい。そこで、本実施形態では、放熱器１２にて必要とされる熱負荷に応じてニードル弁２４をアクチュエータ（ステッピングモータ）２５により変位させてノズル１８の開度を可変制御している。
【００３５】
次に、上記構成において本実施形態のエジェクタの可変容量時の作動を説明すると、前述のようにアクチュエータ（ステッピングモータ）２５がニードル弁２４を上下に変位させると図３に示す断面において、第１テーパ２４ａとノズル１８の喉部１８ａとの距離が変化する。本実施形態ではニードル弁２４を冷媒噴出方向（図３中、下方向）Ｒ１に変位させると第１テーパ２４ａとノズル１８の喉部１８ａとの距離、つまりノズル１８の開度が小さくなり、冷媒噴出方向とは反対方向（図３中、上方向）Ｒ２に変位するとノズル１８の開度が大きくなる。
【００３６】
次に、第１実施形態による作用効果を列挙すると、（１）ニードル弁２４に複数のテーパ形状２４ａ、２４ｂをニードル弁２４の喉部１８ａ側端部へ向かう順にテーパ角度θ１、θ２が大きくなるように形成したため、全開時の喉部１８ａにおける冷媒流路面積を増やすことができる。
【００３７】
図５にニードル弁２４の変位量と喉部１８ａにおける冷媒流路面積（以下喉部面積と称す）の関係を示す。全閉時（ステップ数、変位量ゼロ）からニードル弁２４を冷媒噴出方向とは反対方向Ｒ２に変位させると第１テーパ２４ａと喉部１８ａに隙間間隔が生じて喉部面積が増加していく。図５中、領域Ｂが第１テーパ２４ａにより喉部面積が調節される部分である。
【００３８】
ところで、従来例のように１つのテーパ角度θ３でテーパ５０が形成されている場合は、図５の点線のように緩やかに喉部面積が増加していく。このため、変位手段２５が変位できる限られたニードル弁２４の変位量では、充分に喉部面積を大きくすることができない。図５中Ｄラインは本発明者が仮に設定した必要最小喉部面積であり、これよりも喉部面積が小さい場合には圧縮機１１が必要な冷媒を流してもエジェクタ１４（エジェクタサイクル）の高圧側圧力が高くなりやすくなる。このため、結果として圧縮機１１の回転数を下げて冷媒流量を少なくする、つまり必要な冷媒が流せない場合がある。
【００３９】
しかし、本実施形態ではニードル弁２４の変位により、第２テーパ２４ｂが喉部面積を調節する部分（図５中領域Ｃ）がある。第２テーパ２４ｂはテーパ角度θ２が大きいため、喉部面積が急激に大きくさせる。また、テーパ角度θ２が大きいためテーパの長さが短くなり、より少ない変位量で喉部面積を大きくすることができる。したがって、変位手段２５が変位させられる限られたニードル弁２４の変位量で、より喉部面積を大きくすることができ、より多くの冷媒を流すことができる。これにより、従来例で発生した圧縮機の回転数を下げる必要がなくなり、システム制御の簡素化が可能となる。
【００４０】
（２）冷媒の流量を調節する第１テーパ２４ａのテーパ角度θ１を他のテーパ角度θ２よりも小さくできるため、冷媒流量をより精密に調整できる。
【００４１】
これによると、ノズル１８の開度（喉部面積）を変化させる第１テーパ形状２４ａのテーパ角度θ１が他のテーパ形状２４ｂのテーパ角度θ２よりも小さいため、ニードル弁２４の軸線方向Ｒ変位量に対するノズル１８の喉部面積の変化を小さくできる。つまり、より精密に絞り手段１８の開度を制御することができる。
【００４２】
これら（１）、（２）の作用効果が相まって、精密に喉部面積を制御し（第１テーパ２４ａ）、限られたニードル変位量で喉部面積を大きくすること（第２テーパ２４ｂ）ができる。
【００４３】
（第２実施形態）
第２実施形態も第１実施形態とほぼ同様の構成であるが、図６に示すように第２テーパ２４ｂのテーパ角度θ２がノズル軸線Ｒに対して直角となっている。これによると第１実施形態の作用効果（２）がより顕著に発揮される。図７に示すように第１テーパ２４ａが喉部面積を調整する領域Ｂを超えてニードル弁２４を変位させると一気に喉部面積が全開となる（図７中、領域Ｃ）。これによっても、限られたニードル変位量で喉部面積を大きくすることができる。
【００４４】
なお、本実施形態においても当然に第１実施形態で述べた作用効果（１）を発揮できる。
【００４５】
（他の実施形態）
上述の実施形態では、給湯器でエジェクタサイクルを使用した例を示したが、本発明はこれに限られるものではなく、エジェクタを使用した冷凍機、車両用空調装置等の冷凍サイクルなどにも適用できることは当然である。
【００４６】
また、上述の実施形態ではニードル弁が上下方向に変位する例を示したが、当然にニードル弁が左右に変位するエジェクタであっても本発明の効果は同様である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明のエジェクタをエジェクタサイクル（給湯器）に適用した第１実施形態の模式図であり、特許文献１の模式図としても使用した。
【図２】第１実施形態に係るエジェクタの断面図であり、特許文献１のエジェクタの断面図としても使用した。
【図３】第１実施形態に係るニードル弁の要部の断面図である。
【図４】図３のＡ部を拡大した拡大図である。
【図５】第１実施形態のニードル弁の変位量とノズル喉部の開口面積の関係を示した図である。
【図６】第２実施形態のニードル弁のテーパ形状を示す断面図である。
【図７】第２実施形態のニードル弁の変位量とノズル喉部の開口面積の関係を示した図である。
【図８】特許文献１に係るニードル弁の要部の断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１６…流入ポート（流入口）、１７…高圧空間、１８…ノズル（絞り手段）、
１８ａ…喉部、１８ｂ…絞り部、１９…気相流入ポート（第２流入口）、
２３ａ…吸入空間、２４…ニードル弁、２４ａ…第１テーパ（テーパ形状）、
２４ｂ…第２テーパ（テーパ形状）、Ｒ…軸線、θ１…第１テーパ角度、
θ２…第２テーパ角度。
【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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