(57)【要約】【課題】コアンダ効果に基づく流体のスイッチング現象を利用した流体素子を用いて効率の向上を図った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、一次流体をノズル１に供給する配管１２に流体素子２０を接続し、該流体素子２０の自励振動を利用することにより、一次流体に非定常流を形成して、一次流体と二次流体の界面を流体の流れ方向に対してほぼ鉛直にする。【選択図】        図１
2005016412.tif 000002
【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、一次流体を供給する流路に流体素子を用い、該流体素子の自励振動を利用することにより、一次流体に非定常流を形成することを特徴とするエジェクタ。
【請求項２】
非定常流の形態を間欠流または脈動流と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】
請求項１に記載の流体素子を用いて複数のエジェクタに対して一次流体を交互に供給することを特徴とするエジェクタ装置。
【請求項４】
請求項１〜３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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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、特に一次流体の流れを非定常流と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。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、この種のエジェクタとして、一次流体と二次流体の界面がエジェクタ軸方向に対してほぼ垂直となるように、一次流体の非定常流を生成するエジェクタを提案している（例えば、特許文献１参照）。非定常流の生成手段は、例えば、一次流体供給配管内に設けられた細管群の周期的加熱制御や、ポンプあるいは電磁弁などによる一次流体供給装置の周期的制御によるものである。
一方、コアンダ効果に基づく流体のスイッチング現象を利用した流体素子については気流搬送装置に使用する流体スイッチング素子が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−３３３０００号公報（請求項１−６、図１−図７）
【特許文献２】
特開２００１−５０２１４号公報（段落［００１５］−［００１８］、図２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献１のエジェクタは、高エネルギー流体（一次流体）と低エネルギー流体（二次流体）とが直接接触する際に、両流体の界面が、それらの流れ方向に対して鉛直になるように流体を交互に流動させることにより、両流体間のエネルギー授受が可逆的に行われるため、混合に際してのエネルギー損失を低減する効果をねらっているものである。すなわち、一次流体と二次流体が、その界面を介してエネルギー（圧力）を最も効率よく交換するためには、界面が流体の流れ方向に対して鉛直になるようにすることである。そのために、上記特許文献１の技術では、一次流体に間欠流または脈動流からなる非定常流を生成することにしている。しかし、その生成手段は、一次流体供給配管内に設けられた細管群の周期的加熱制御や、ポンプあるいは電磁弁などによる一次流体供給装置の周期的制御によるものであるため、どうしても外部から制御を加える制御装置が必要になる。そのため、制御装置が複雑なために、設備全体の信頼性が損なわれる上、装置が高価になるという問題があった。また、一次流体の周波数を高くするほど、制御が困難になるという問題もあった。
【０００５】
一方、流体を制御する手段として、コアンダ効果に基づく流体のスイッチング現象を利用した流体素子を用いることは上記特許文献２に開示されている。しかしながら、同文献にはエジェクタについて利用することについては何ら記載されていない。そしてこれまでのところ、エジェクタにおける一次流体の制御に流体素子を用いたものは見あたらない。
【０００６】
そこで、本発明は、流体素子を用いて流体の圧力及び流量制御を行うことにより、効率の向上を図った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。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
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、一次流体を供給する流路に流体素子を用い、該流体素子の自励振動を利用することにより、一次流体に非定常流を形成することを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明のエジェクタにおいては、非定常流の形態を間欠流または脈動流とするものである。
ここに、「間欠流」とは、間欠的に流体が一方向に流動する流れをいい、流体の流量が０となる瞬間があるものである。「脈動流」は、流体の流量が主流方向に時間変動する形態で、流量が最小となった瞬間でも０にはならないものを指す。
本発明においては、流体素子の自励振動を利用することにより一次流体に非定常流すなわち間欠流あるいは脈動流を形成するものであるため、二次流体は一次流体塊同士の狭間にはさまれ保持される状態となり、両流体間の界面は流体の流れ方向に対してほぼ鉛直となる。なお、ここでいう界面とは、必ずしも明確な境界があるものだけではなく、遷移層のようなものも含める。
【０００９】
また、本発明は、請求項１に記載の流体素子を用いて複数のエジェクタに対して一次流体を交互に供給するエジェクタ装置を構成することもできる。
また、本発明の冷凍システムは、請求項１〜３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。
【００１０】
【発明の実施の形態】
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を同心状に配したディフューザ２とから主として構成されている。ノズル１に一次流体を供給する一次流体供給配管１２の上流側には流体素子２０を介して一次流体加熱装置３０が接続されており、この流体素子２０の流体のスイッチング現象に基づく流体の自励振動により一次流体の非定常流を形成しノズル１に供給する。
ディフューザ２の二次流体導入部３には、二次流体供給配管１４の一端が接続され、その配管１４の他端は二次流体の供給源である二次流体供給装置３２に接続されている。そして、このエジェクタ１０によってエネルギーを高められた吐出流は、流出配管１６を通して他のプロセスや凝縮器、あるいは大気などへ、使用目的に応じて供給、あるいは排出される。なお、図１において、１８はポンプなどの一次流体供給装置を示す。
【００１１】
図２は、図１に示した流体素子２０の構成および作用を説明するための説明図である。この流体素子２０は、１つの入力ポート２１と、２つの出力ポート２２ａ、２２ｂと、２つの制御ポート２４ａ、２４ｂをもっている。流体素子２０内部の流路は、入力ポート２１と出力ポート２２ａ、２２ｂとの間が鋭角なＹ形の主流路２３ａと２３ｂに分かれて形成されており、その流路の交叉部には、制御ポート２４ａ、２４ｂのそれぞれに制御流路２５、２６が両側から連通する構成となっている。
そして、流体素子２０の入力ポート２１と一次流体加熱装置３０との間は一次流体供給配管１２の入力側配管１２ａで接続されており、一方の出力ポート２２ａには一次流体供給配管１２の出力側配管１２ｂが接続されている。さらに、出力側配管１２ｂと制御ポート２４ａとは制御流路２５で結ばれ、他方の出力ポート２２ｂと制御ポート２４ｂとは制御流路２６で結ばれている。
【００１２】
このように構成された流体素子２０を一次流体加熱装置３０とエジェクタ１０のノズル１とを結ぶ一次流体供給配管１２に介在させることによって、流体素子２０のスイッチング現象に基づく流体の自励振動により自動的に一次流体の非定常流を生成するものである。
すなわち、本流体素子２０の動作原理は、入力ポート２１から入った流体はいったん主流路２３ａを流れると制御ポート２４ａから制御流が流れない限り、２３ａの流路をとり続けることになる。そして制御ポート２４ａから入力があると、流路は２３ａから２３ｂへ切り替わり、次に制御ポート２４ｂから制御流が流れ込まない限り、２３ｂの流路をとり続けるのである。
【００１３】
本流体素子２０は、前述のように、一次流体加熱装置３０とエジェクタ１０のノズル１とを結ぶ一次流体供給配管１２に介在され、一方の出力ポート２２ａが一次流体供給配管１２の下流側に接続され、その一部が流路２５を介して制御ポート２４ａに接続されている。また、他方の出力ポート２２ｂは流路２６を介して制御ポート２４ｂに接続されている。
この流体素子２０の働きについて説明する。
（１）入力ポート２１から出力ポート２２ａに流体が流れ込むと、流路２５の圧力が上昇し、制御ポート２４ａから制御流が入力する。
（２）２４ａからの制御流の入力により主流は流路２３ａから２３ｂに切り替わる。
（３）すると、流路２６の圧力が上昇し、制御ポート２４ｂに制御流が流入する。
（４）制御流が２４ｂから流れ込むことにより、主流が流路２３ｂから２３ａに切り替わる。
（５）（１）へ戻り、以下同じ動作を繰り返す。
【００１４】
したがって、図２に併記する入力波形図のように、例えば、入力ポート２１の入力に一様流が入力されると、流体自体が自励振動を起こして、出力ポート２２ａからは、出力波形図で示すように、パルス状の信号が出力される。
本実施例によると、このような流体素子２０の自励振動を利用することにより、一次流体に数１０Ｈｚ〜数ｋＨｚの任意の周波数の間欠流または脈動流を生じさせることができる。
なお、流路２５、２６の抵抗と流路容積を任意に調節することにより、自励振動の時間間隔を調整することが可能である。また、本実施例における流体素子２０は付着型流体素子と呼ばれる最も基本的な流体素子による回路構成を示したが、これらの流体素子を複数個組み合わせたり、あるいは渦流型や衝突型といわれる流体素子を使用しても同様にパルス流を生成することは可能である。
【００１５】
図３は、上記流体素子２０により一次流体に非定常流を形成したときの一次流体と二次流体の流れの状況を模式的に示したものである。
一次流体加熱装置３０により気相状態となっている一次流体は流体素子２０によって間欠的な流れとなって、ノズル１より高速度で噴出する。このとき、間欠的な一次流体流れにより、一次流体塊１１は図３の右方向に流動し、それら一次流体塊１１の狭間に二次流体が吸引され、二次流体塊１３が形成され、やはり右方向へ流動する。一次流体塊１１と二次流体塊１３の間の界面は、流体塊の流れ方向に対し、概略垂直面をなし、一次流体塊１１と二次流体塊１３の間ではエネルギーの授受が行われる。エネルギーの授受後、ほぼ同一エネルギー状態となった一次流体塊１１と二次流体塊１３は混合し、ディフューザ２で速度エネルギーを圧力エネルギーに回復しつつ流出配管１６へと流出する。したがって、一次流体塊１１と二次流体塊１３のエネルギー授受は垂直界面を介して行われ、また、両流体のエネルギー状態が近くなってから混合するため、有効エネルギーの損失が抑制され、エジェクタの効率が向上する。
【００１６】
図４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、ノズル１、ディフューザ２、および流体素子２０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１２および流体素子２０を介して一次流体加熱装置３０に接続されている。一次流体加熱装置３０には一次流体を加熱するための、例えば熱交換器３１を備えている。また、蒸発器３４が二次流体供給配管１４を介してエジェクタ１０の二次流体導入部３に接続されている。エジェクタ１０の流出側には流出配管１６を介して凝縮器３６が接続されている。凝縮器３６に流入する一次流体と二次流体の混合気は凝縮器３６に接続されている冷却水配管３８により冷却され、凝縮する。凝縮した液は、配管１５を流れ、一次流体供給装置１８により一次流体加熱装置３０に戻されると同時に、二次流体戻り配管１７、減圧弁１９を介して蒸発器３４に戻る。
蒸発器３４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３４に接続されている冷熱負荷３５を冷却する。
【００１７】
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。
【００１８】
なお、一次流体加熱装置３０に接続されている熱交換器３１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。
【００１９】
図５は、上記流体素子２０を用いて、２台のエジェクタ１０Ａ、１０Ｂを同時に駆動する例を示している。流体素子２０によって一次流体供給配管１２ａ、１２ｂに交互にパルス流を送ることができるので、２台のエジェクタ装置を同時に駆動することが可能である。
【００２０】
【発明の効果】
本発明のエジェクタは、流体素子のスイッチング現象を利用した流体の自励振動により一次流体の非定常流を形成し、かかる非定常流の一次流体と二次流体との界面を流れ方向に鉛直とする。それによって、二次流体の吸引・混合時の有効エネルギー損失が低減し、エジェクタの効率が向上する。言い換えれば、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、単位量の二次流体を吸引するに必要な一次流体量が低減される。因みに、本発明のエジェクタ効率は、前記特許文献１のものとほぼ同等である。
しかも、本発明は、流体素子を用いることにより外部からの制御を何ら加えることなく一次流体の非定常流を形成できるものであるため、複雑な流体制御装置が不要となり、設備の信頼性、耐久性が向上すると共に、コスト低減を容易に実現できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のエジェクタの一例を示す概要図である。
【図２】流体素子の構成および作用を説明するための説明図である。
【図３】本発明のエジェクタにおける一次流体と二次流体の流れを示す作用説明図である。
【図４】本発明の冷凍システムの一例を示す概要図である。
【図５】本発明のエジェクタの別の使用例を示す概要図である。
【符号の説明】
１  ノズル
２  ディフューザ
３  二次流体導入部
１０、１０Ａ、１０Ｂ  エジェクタ
１１  一次流体塊
１２  一次流体供給配管
１３  二次流体塊
１４  二次流体供給配管
１６  流出配管
２０  流体素子
２１  入力ポート
２２ａ、２２ｂ  出力ポート
２３ａ、２３ｂ  主流路
２４ａ、２４ｂ  制御ポート
２５、２６  制御流路
３０  一次流体加熱装置
３２  一次流体供給装置
３４  蒸発器
３６  凝縮器
【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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