(57)【要約】【課題】  流れの乱れを極力抑え、かつ、可動部がないメンテナンスフリーの構成で、エジェクタの効率の向上、および装置の小型化、製造コストの低減が可能なエジェクタおよびこれを用いた冷凍システムを提供する。【解決手段】  一次流体の噴流によって二次流体の吸引および／または昇圧を行うエジェクタ１０において、一次流体を噴出するノズル１に対向する位置に、ノズル側の先端部が円錐形状で、この円錐形状に連続して後方部を紡錘形状またはこれに類似する形状とした斜め衝撃波生成体３を設け、ディフューザ２は一次流体と二次流体の混合部２ａと混合流体の圧力回復部２ｂとを有し、前記混合部２ａにおいて前記斜め衝撃波生成体３の円錐部３ａにより一次流体噴流に斜め衝撃波を発生させて一次流体と二次流体を混合し、かつ前記圧力回復部２ｂにおいて圧力を徐々に回復するように前記斜め衝撃波生成体と前記ディフューザ間の流路１２を形成する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次流体の噴流によって二次流体の吸引および／または昇圧を行うエジェクタにおいて、一次流体を噴出するノズルに対向する位置に、ノズル側の先端部が円錐形状で、この円錐形状に連続して後方部を紡錘形状またはこれに類似する形状とした斜め衝撃波生成体を設け、ディフューザは一次流体と二次流体の混合部と混合流体の圧力回復部とを有し、前記混合部において前記斜め衝撃波生成体の円錐部により一次流体噴流に斜め衝撃波を発生させて一次流体と二次流体を混合し、かつ前記圧力回復部において圧力を徐々に回復するように前記斜め衝撃波生成体と前記ディフューザ間の流路を形成したことを特徴とするエジェクタ。
【請求項２】
前記流路の断面積が、前記混合部では漸次減少し、圧力回復部では漸次拡大するように該流路を形成したことを特徴とする請求項１記載のエジェクタ。
【請求項３】
前記流路が、前記混合部と前記圧力回復部との間にほぼ等間隔の平行部を有することを特徴とする請求項２記載のエジェクタ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載のエジェクタを用いて冷凍サイクルを構成したことを特徴とする冷凍システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、真空生成、圧縮、昇圧などに供されるエジェクタに関し、特に一次流体が二次流体との混合部において斜め衝撃波を発生するようにしたエジェクタ、およびこれを用いた冷凍システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の一般的なエジェクタは、ノズルとディフューザを備え、ノズルから一次流体を高速度で噴射させることによって低圧の二次流体を吸引し、一次流体と二次流体を混合させた後、その混合流体をディフューザによって昇圧し流出させる構造となっている。この場合において、ノズルからの一次流体噴流が超音速状態となる超音速エジェクタでは、ディフューザによる圧力回復時に強い衝撃波（垂直衝撃波に近い衝撃波）が形成される。この強い衝撃波はエントロピ生成量を増大させ、有効エネルギーの損失を招く。その結果、従来の超音速エジェクタは効率が非常に低いものであった。
【０００３】
また、従来より提案されているエジェクタの効率向上手段の多くは、一次流体と二次流体の混合を促進するものである（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１では、ノズルより噴出する一次流体を混合部内で拡散させる拡散手段を設けることにより一次流体と二次流体の混合の均一化を促進させている。具体的には、拡散手段としてスワラーやニードル弁をノズルに対向させて配設し、ノズルからの一次流体を例えばニードル弁の先端部の円錐面に衝突させることにより、一次流体の流れに大きな乱れを生じさせて拡散混合を行う技術である。
【特許文献１】特開平６−２９６４号公報
【０００４】
しかしながら、一次流体流に大きな乱れを生じさせることは、一次流体と二次流体の混合を促進するには効果はあるものの、反面流れの乱れによるエントロピ生成量の増大を伴うため、エジェクタの効率向上の効果は限定的なものとなる。特に、特許文献１のニードル弁は、衝突によって一次流体流の液状粒子を半径方向に拡散させる目的で先端部を円錐形状としたものであり、特許文献１では、斜め衝撃波のことは想定されていない。加えて、これに続く後方部はストレートの円柱形状となっており、ディフューザの圧力回復部において、ニードル弁の円柱後端部で渦が発生するため、たとえ斜め衝撃波を発生させたとしても渦による流れの乱れに起因してエントロピ生成量が増大し、エジェクタ効率の低下をもたらすものである。
【０００５】
一方、圧力交換と呼ばれる可逆的なエネルギー交換の現象を利用することにより、エントロピ生成を抑制しエジェクタ効率を向上するエジェクタも開示されている（例えば、特許文献２参照）。この特許文献２のエジェクタは、ノズルに対向して、低摩擦で自由回転する羽根付きロータを設け、一次流体により羽根付きロータを自由回転させて圧力交換現象を生成するものである。
【特許文献２】米国特許第６１３８４５６号明細書  しかしながら、圧力交換現象を生成する手段に可動部があるため、エジェクタの耐久性に難があり、メンテナンスを必要とする。また、羽根周囲での流れの乱れによるエネルギー損失を避けられない。さらに、羽根付きロータのような複雑な装置が必要なため、製造コストも増大する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、流れの乱れを極力抑え、かつ、可動部がないメンテナンスフリーの構成で、エジェクタの効率の向上、および装置の小型化、製造コストの低減が可能なエジェクタおよびこれを用いた冷凍システムを提供することを目的としている。
【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、一次流体の噴流によって二次流体の吸引および／または昇圧を行うエジェクタにおいて、一次流体を噴出するノズルに対向する位置に、ノズル側の先端部が円錐形状で、この円錐形状に連続して後方部を紡錘形状またはこれに類似する形状とした斜め衝撃波生成体を設け、ディフューザは一次流体と二次流体の混合部と混合流体の圧力回復部とを有し、前記混合部において前記斜め衝撃波生成体の円錐部により一次流体噴流に斜め衝撃波を発生させて一次流体と二次流体を混合し、かつ前記圧力回復部において圧力を徐々に回復するように前記斜め衝撃波生成体と前記ディフューザ間の流路を形成したことを特徴とするものである。
【０００８】
本発明のエジェクタは、一次流体を噴出するノズルに対向する位置に、ノズル側の先端部が円錐形状で、この円錐形状に連続して後方部を紡錘形状またはこれに類似する形状とした斜め衝撃波生成体を設けることによって、ノズルより噴出する一次流体噴流に斜め衝撃波を発生させるものであり、一次流体流の斜め衝撃波を発生させる超音速エジェクタである点に特徴がある。ここで、流体の流れ方向に垂直な衝撃波を垂直衝撃波といい、垂直より衝撃波が傾いたものを斜め衝撃波という。また、衝撃波とは、密度がステップ的に変化する波面をいう。衝撃波の厚さはごく薄なので、一般的には不連続面として取り扱われる。衝撃波の傾き（衝撃波角）は小さければ小さいほど、エントロピ生成量も少なくてすむ。ただし、衝撃波角が小さければ、斜め衝撃波による圧力回復の効果も小さくなるため、衝撃波角は１０゜〜６０゜、より好ましくは３０゜〜４０゜の範囲とするのがよい。
本発明では、ディフューザの混合部において一次流体流に斜め衝撃波を発生させることにより、流れの乱れを抑え、かつ強い垂直衝撃波の発生を抑制しつつ二次流体との混合を促進させるので、エントロピ生成量の減少が可能となる。よって、エジェクタの効率が向上する。また、ノズルに対向させて設けられる斜め衝撃波生成体は、ディフューザ内に固定されたものであるため、本発明のエジェクタには可動部が全くなく、したがって、メンテナンスフリーの構成となり、エジェクタ装置の小型化およびコスト低減が可能となる。
【０００９】
また、本発明のエジェクタにおいては、前記流路の断面積が、前記混合部では漸次減少し、圧力回復部では漸次拡大するように該流路を形成することが好ましい。また、前記流路が、前記混合部と前記圧力回復部との間にほぼ等間隔の平行部を有していてもよい。
このような流路の構成とすることによって、混合部では一次および二次流体の混合が促進され、圧力回復部では混合流体の圧力を徐々に回復させることができる。
【００１０】
本発明の冷凍システムは、請求項１乃至３のいずれかに記載のエジェクタを用いて冷凍サイクルを構成するものである。
本発明のエジェクタは、一次流体流に斜め衝撃波を発生させることにより、エントロピ生成量が減少し、エジェクタの効率が向上する。このエジェクタを用いて冷凍サイクルを構成することにより、一次流体に対する二次流体の流量比（＝［二次流体流量］／［一次流体流量］）が増大し、冷凍機としての効率（ＣＯＰ）が向上する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ノズルに対向させて、ノズル側の先端部が円錐形状で、この円錐形状に連続して後方部を紡錘形状またはこれに類似する形状とした斜め衝撃波生成体を設けることにより、ノズルより噴出する一次流体噴流に斜め衝撃波を発生させるものであるので、エントロピ生成量が減少し、エジェクタの効率が向上するという効果がある。また、可動部の全くないメンテナンスフリーの構成であるため、エジェクタ装置の小型化およびコスト低減が可能となる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の基本的な実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明のエジェクタの概要を示す構成図である。
このエジェクタ１０は、ノズル１と、内部にノズル１を配したディフューザ２と、ノズル１に対向させて配設した斜め衝撃波生成体３とから主に構成されている。
ディフューザ２は、上流側に導入部４を有し、この導入部４に二次流体供給配管５を介して二次流体の供給源である二次流体供給部６が接続されている。ノズル１は、ディフューザ２の導入部４を貫くように設けられた一次流体供給配管７の先端部に取り付けられており、一次流体供給配管７を介して一次流体の供給源である一次流体供給部８が接続されている。ディフューザ２の先端開口部は混合流体流出配管１１を介して他のプロセス、凝縮器、あるいは大気などへ接続されている。なお、ノズル１および斜め衝撃波生成体３は、ディフューザ２内に同心状に配置されていることが望ましいが、これら３者の中心軸が一致するような配置に限定されるものではない。
【００１３】
図１には、ノズル１から噴出する一次流体流に斜め衝撃波を発生させる機構の一例として、先端部が円錐形状をなし、後方部が紡錘形状をした斜め衝撃波生成体３が示されている。ここで、前述のように、流体の流れ方向に垂直な衝撃波を垂直衝撃波といい、それよりも傾いたものを斜め衝撃波という。また、衝撃波とは、密度がステップ的に変化する波面をいう。衝撃波の厚さはごく薄なので、一般的には不連続面として取り扱われる。衝撃波の傾き（衝撃波角）は小さければ小さいほど、エントロピ生成量も少なくてすむ。ただし、衝撃波角が小さければ、斜め衝撃波による圧力回復の効果も小さくなるため、衝撃波角は１０゜〜６０゜、より好ましくは３０゜〜４０゜の範囲とするのがよい。
【００１４】
この斜め衝撃波生成体３は、ノズル１に対向する位置に、先端部の円錐部３ａをノズル１の噴出口に向けて固定（その固定手段は図示していないが、例えば複数の半径方向のアームによってディフューザ２の内周面に固定）されている。なお、アーム部（図示せず）においてもその断面形状は流線型とし流体の流れの乱れを極力抑制した構造とする。この円錐部３ａに続く後方部は紡錘状部３ｂとなっている。但し、紡錘状部３ｂはその類似形状を含むものであり、流体の流れに渦を生じさせないような外形形状とすることが好ましい。また、斜め衝撃波生成体３のノズル１に対する設置位置は特に限定されない。例えば、円錐部３ａの先端位置が、図１に示すようにノズル１の噴出口端面位置に一致していてもよいし、下流側へ離れていてもよく、また噴出口内部へ入り込んでいてもよい。
【００１５】
導入部４に連続するディフューザ２の内周面は斜め衝撃波生成体３との間で混合部２ａおよび圧力回復部２ｂを形成するように流線形状の流路１２が形成され、例えば図１では、ベルマウス状に形成された混合部２ａと、ラッパ状ないし末広がり状に形成された圧力回復部２ｂとが形成されている。そして、流路１２の断面積（軸方向断面積）が、混合部２ａでは漸次（ゆるやかに）縮小するように、圧力回復部２ｂでは漸次（ゆるやかに）拡大するように、変化する形状となっている。なお、混合部２ａと圧力回復部２ｂとの間にほぼ等間隔の平行部が形成されていてもよい。また、ディフューザ２および斜め衝撃波生成体３の形状は軸対称の形状に限定されるものではない。
【００１６】
上記のように構成されたエジェクタ１０の作用および性能について、さらに図２、図３を参照して説明する。図２（ａ）は本発明のエジェクタの作用を示す説明図で、斜め衝撃波の発生状況を示すものである。ただし、エジェクタの上半分について示す。図３（ａ）も図２（ａ）と同じで、横軸ｘはノズル１の噴出口先端からのエジェクタ軸方向の距離、縦軸ｙはエジェクタ中心軸ｘに垂直な方向の距離である。図２（ｂ）は本発明方式と従来方式のエントロピ生成量Δｓの比較図、図３（ｂ）はディフューザ出口圧力ｐの比較図、図３（ｃ）はノズル出口マッハ数Ｍａの比較図である。なお、これらの図において、Ａは本発明のエジェクタ、Ｂで示す従来技術１は垂直衝撃波（ノズルの対向側に障害物の無いタイプ）によるエジェクタ（ただし、ノズルののど部の断面積とノズル出口からのディフューザの長さは本発明のものと同じ）、Ｃで示す従来技術２は前記特許文献１に示すように、ノズルの対向側にニードル弁を設けた方式のエジェクタである。
【００１７】
一次流体をノズル１より超音速で噴出させると、その一次流体噴流は斜め衝撃波生成体３の円錐部３ａに衝突して円錐状に分岐するとともに斜め衝撃波を発生する。それと同時に、一次流体の噴出によって生じる負圧により二次流体をディフューザ２の導入部４内に吸引する。斜め衝撃波は、図２、図３の（ａ）に示すように、通常亜音速である二次流体と斜め衝撃波生成体３の円錐部３ａとの間で反射を繰り返す。すなわち、吸引された二次流体の流れが壁のように働き、その二次流体との接触面では斜め衝撃波は膨張波を生成し、さらに下流でこれらを繰り返しながら除々に減速していく（図３（ｃ）参照）。一方、一次流体はこのような斜め衝撃波を伴いながら二次流体と混合し除々に圧力を高めていく（図３（ｂ）参照）。なお、膨張波の部分では加速されるが、圧力は低くなり、かつエントロピの生成はない。
斜め衝撃波は弱い衝撃波で一次流体の有効エネルギーの低下は僅かであるが、一方で斜め衝撃波通過後の一次流体の静圧は大きく上昇する。したがって、ディフューザ２と斜め衝撃波生成体３間の混合部２ａにおいて、流路１２の断面積が漸次縮小するように形成されているため、強い衝撃波（垂直衝撃波に近い衝撃波）の発生を抑制しつつ、一次流体と二次流体の混合気は、斜め衝撃波によって効率よく圧力が上昇し、マッハ数１以下まで減速する。圧力回復部２ｂでは流路１２の断面積が漸次拡大するように形成されているため、圧力を徐々に回復し、その結果、有効エネルギーの損失は低減されエジェクタの効率が向上する。
さらに、本発明のエジェクタは、一次流体が円錐状に分岐するために一次流体と二次流体間の接触面積が大きくなり、一次流体と二次流体の混合が十分に行われる効果もある。また、斜め衝撃波生成体３は先端部が円錐形状でその下流側も流線型あるいは紡錘形状となっており、一次流体の乱れを極力抑制している。そのため、一次流体と二次流体の混合過程においても流れの乱れによるエントロピ生成量を抑制でき、よってエジェクタの効率が向上する。
【００１８】
一般的に、ノズルから超音速で流体が噴出する超音速エジェクタにおいては、エジェクタ出口で亜音速とするため、エジェクタ内部のいずれかの位置で衝撃波（垂直衝撃波もしくは斜め衝撃波）によりマッハ１以下の亜音速への減速・昇圧が必然となる。しかしながら、垂直衝撃波によるか、あるいは斜め衝撃波によっては、エントロピの生成において以下のように大きく相違する。
エントロピの生成について説明すると、図２（ｂ）に示すように、本発明のエジェクタでは斜め衝撃波によるため、エントロピ生成量は段階的に少しずつ上昇する。そのため、混合部出口位置におけるエントロピ生成量を比較的低く抑えることができる。これに対して、従来技術１では垂直衝撃波によるものである。垂直衝撃波は通常、混合部出口位置で発生することが多く、この垂直衝撃波発生位置（混合部出口）において、エントロピ生成量が急激に高くなる。一方、従来技術２の場合、ニードル弁が斜め衝撃波の生成を意図したものではないため、その先端で強い衝撃波が生成したり、逆に斜め衝撃波が弱すぎて混合部出口位置で強い衝撃波が生成されることになり、混合部出口位置では従来技術１より低いものの本発明方式よりもエントロピ生成量ははるかに高くなる。しかも、ニードル弁後端位置で渦が発生するため、渦による流れの乱れによりエントロピ生成量が傾斜的に増加する。一方、本発明方式では斜め衝撃波生成体３の後方部は紡錘形状となっており、渦が発生しないため、混合部出口位置での傾斜はほとんど無くエントロピ生成量を増加させることはない。
【００１９】
本発明のエジェクタについては様々な態様あるいは変形例が考えられる。そのうちの数例を図４に示す。同図の（ａ）は、混合部２ａと圧力回復部２ｂとの間に平行部２ｃを設けたものである。この例では、ディフューザ２および斜め衝撃波生成体３のそれぞれにはエジェクタ中心軸にほぼ平行な部分が形成されている。
図４（ｂ）は、斜め衝撃波生成体３の後方部を先端部の円錐部３ａとほぼ同じような円錐形状（ただし、逆向きの円錐部３ｃ）としたものである。斜め衝撃波生成体３の後端において渦を生じない限り後方部を円錐形状としてもよいものである。
図４（ｃ）は、ディフューザ２に図１のようなくびれ部を設けることなく導入部４と同径の混合部２ａとして構成したものである。また、斜め衝撃波生成体３の円錐部３ａ先端をノズル１の噴出口から下流側へ離れた位置に設置したものである。
以上に述べたディフューザ２および斜め衝撃波生成体３の形状については本発明の要旨を変更しない限り本発明の範囲内のものと解すべきものである。なお、直線形状の接続部においては適宜のＲで連続させる。
【００２０】
図５は、前述のエジェクタ１０を用いて冷凍サイクルを構成した実施形態の一例を示す概念図である。
エジェクタ１０は、前述のように、ノズル１、ディフューザ２、および斜め衝撃波生成体３により主として構成される。ノズル１は、一次流体供給配管７を介して一次流体加熱装置２０に接続されている。一次流体加熱装置２０には一次流体を加熱するための、例えば熱交換器２１を備えている。また、蒸発器２２が二次流体供給配管５を介してエジェクタ１０の導入部４に接続されている。エジェクタ１０の流出側には流出配管１１を介して凝縮器２３が接続されている。凝縮器２３に流入する一次流体と二次流体の混合気は凝縮器２３に接続されている冷却水配管２４により冷却され、凝縮する。凝縮した液は、配管２５を流れ、一次流体供給装置１８により一次流体加熱装置２０に戻されると同時に、二次流体戻り配管２６、減圧弁２７を介して蒸発器２２に戻る。
蒸発器２２内の二次流体がエジェクタ１０により吸引される際に発生する二次流体の気化熱（蒸発潜熱）により温度低下、すなわち冷凍が発生し、蒸発器２２に接続されている冷熱負荷２８を冷却する。
【００２１】
このエジェクタ１０を用いることにより、上述したようにエジェクタの効率が向上するため、一次流体に対する二次流体の流量比（＝［二次流体流量］／［一次流体流量］）が増大し、冷凍機としての効率（ＣＯＰ）が向上する。
【００２２】
なお、一次流体加熱装置２０に接続されている熱交換器２１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、水、フロン、アルコール、アンモニア、あるいはこれらの混合物などが利用される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明のエジェクタの一例を示す概略構成図。
【図２】本発明のエジェクタの作用説明図（ａ）およびエントロピ生成量についての本発明方式と従来方式との比較図（ｂ）。
【図３】本発明のエジェクタの作用説明図（ａ）、ならびにディフューザ出口圧力についての本発明方式と従来方式との比較図（ｂ）、およびノズル出口マッハ数についての本発明方式と従来方式との比較図（ｃ）。
【図４】本発明のエジェクタの他の例を示す概略構成図。
【図５】本発明の冷凍システムの一例を示す概要図。
【符号の説明】
【００２４】
１  ノズル
２  ディフューザ
２ａ  混合部
２ｂ  圧力回復部
２ｃ  平行部
３  斜め衝撃波生成体
３ａ  円錐部
３ｂ  紡錘状部
３ｃ  円錐部
４  導入部
５  二次流体供給配管
６  二次流体供給部
７  一次流体供給配管
８  一次流体供給部
１０  エジェクタ
２０  一次流体加熱装置
２２  蒸発器
２３  凝縮器
【図１】
2005076570.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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