(57)【要約】【課題】  ノズルより一次流体の非定常流を噴出するようにするとともに、時間あたりの一次流体の流量を大幅に減少させることのない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において、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噴出する複数のノズル２を有するノズルヘッダ３を備える構成とする。【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噴出する複数のノズルを有するノズルヘッダを備えたことを特徴とするエジェクタ。
【請求項２】
前記複数のノズルが一次流体の周期的なオン／オフを繰り返すように一次流体制御装置をさらに備え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】
前記ノズルヘッダにおいて、前記複数のノズルを全体的に均等に、または同一円周上に均等に配置したことを特徴とする請求項１または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。
【背景技術】
【０００２】
従来のエジェクタは、ディフューザ内部に設けられたノズルから一次流体を高速度で噴射す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の間で圧力変換（エネルギー交換）を伴ってディフューザから流出させることにしている。エジェクタを用いて冷凍サイクルを構成する場合には、上記二次流体が液相の状態で入っている蒸発器をエジェクタに接続し、上記二次流体が蒸発・吸引される際に発生する気化熱（蒸発潜熱）により発生する冷熱を利用する。
従来のエジェクタでは、一次流体と二次流体が接する界面において、一次流体の噴流によりせん断的に二次流体を巻き込みつつ混合させるものであるため、つまり吸引過程が一次流体と二次流体の速度差などに起因する両流体間境界領域での乱れや渦による巻き込みに基づいているため、エントロピの増大すなわち有効エネルギーの損失は避けられないものとなっていた。また、高エネルギー状態の一次流体と低エネルギー状態の二次流体が直接混合するため、ここでも有効エネルギーの損失は避けられないものとなっていた。これらの要因により、従来のエジェクタは効率が非常に低いものであった。
【０００３】
これらの問題を解決するための手段として、ノズルから噴出される一次流体を非定常流とするエジェクタを本出願人は既に提案している（特許文献１参照）。
特許文献１に開示された発明においては、高エネルギー状態の一次流体と低エネルギー状態の二次流体が直接接触する際、両流体の界面が、それらの流れ方向に対してほぼ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狙っている。そのための手段として、一次流体を間欠または脈動状態の非定常流とすることが発明されている。
【特許文献１】特開２００２−３３３０００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に開示された発明においては、一次流体の流量を周期的に変化させているので、時間あたりに流れる一次流体の流量は定常的な流れを形成する場合と比較して減少してしまうことが避けられなかった。すなわち、理想的な間欠流が形成された場合には、時間あたりの流量は定常的な流れが形成されている場合の５０％程度に減少する。そのため、エネルギーの変換効率は高まるものの、利用できる一次流体流量が減少するため、従来と同等のエネルギーを得るためにはエジェクタ装置を大型化する必要があった。
【０００５】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、ノズルより一次流体の非定常流を噴出するようにするとともに、時間あたりの一次流体の流量を大幅に減少させることのない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】
【０００６】
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噴出する複数のノズルを有するノズルヘッダを備えたことを特徴とする。
ここに、非定常流とは、一次流体の流れが間欠流または脈動流であることをいう。「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。
【０００７】
本発明のエジェクタにおいては、ノズルヘッダに、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噴出する複数のノズルを設けているので、時間あたりの一次流体流量を大幅に減ずるようなことがなく、むしろ利用できる一次流体流量を増加させることが可能となる。そのため、エジェクタ装置の小型化が可能となる。また、各ノズルから噴出する一次流体を非定常流かつ二次流体との界面を流れ方向に鉛直としたことにより、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。
【０００８】
また、本発明のエジェクタにおいては、前記複数のノズルが一次流体の周期的なオン／オフを繰り返すように一次流体制御装置をさらに備えたことを特徴とする。
一次流体制御装置により、各ノズルは周期的な間欠流を発生し、ノズルから噴出される一次流体流量の総和をどの時間においてもほぼ一定になるようにすることができる。
そのためには、前記ノズルヘッダにおいて、前記複数のノズルを全体的に均等に、または同一円周上に均等に配置するのが好ましい。
【０００９】
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したことを特徴とする。
本発明のエジェクタを用いると、ディフーザを通過する流体の流量を減ずることなく、圧力交換が可能であるので、エジェクタの効率が向上し、そのため、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。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本発明のエジェクタは、時間あたりの一次流体流量を大幅に減ずることなく圧力交換が可能であるので、有効エネルギーの損失が抑制され、エジェクタ効率が大幅に向上する効果がある。
また、本発明のエジェクタを用いた冷凍システムは、冷熱量を増加させることができるので、冷凍機としての効率（ＣＯＰ）が向上する効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
【００１２】
図１は本発明のエジェクタの基本原理を説明するための概略構成図である。
このエジェクタ１は、複数のノズル２を有するノズルヘッダ３と、ノズルヘッダ３を中心軸上に設置したディフューザ４とから主として構成されている。また、複数のノズル２はノズルヘッダ３において同一円周上に均等に配置されているが、ノズル２の配置や個数等は特に限定されるものではない。５は各ノズル２から噴出する一次流体を非定常流（間欠流または脈動流）として制御するための一次流体制御装置である。この一次流体制御装置５を介してノズルヘッダ３と一次流体加熱装置６とが一次流体供給配管７により接続されている。一次流体加熱装置６にはポンプなどからなる一次流体供給装置８が接続されている。ディフューザ４の二次流体導入部９には二次流体供給配管１０の一端が接続され、その配管１０の他端は二次流体の供給源である二次流体供給装置１１に接続されている。そして、このエジェクタ１内で混合した一次流体、二次流体の吐出流は流出配管１２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。
【００１３】
図２は本発明における一次流体の流れのパターンを模式的に示したものである。ノズル２は簡便のため２個のノズルを交互に切り替えるものとして説明する。実際には２個以上であればノズルはいくつあってもよい。
上記一次流体制御装置５は、ノズル２ａ、２ｂへの流路を交互にＯＮ／ＯＦＦする。そのため、それぞれのノズル２ａ、２ｂより位相をずらしながら一次流体の間欠流（高圧の一次流体塊）１４が発生する。
この複数のノズル２ａ、２ｂの切り替え作用により、ある時間で現象をとらえた場合、ディフューザ４内には局所的な一次流体の疎密な圧力分布が生じることになる。これらノズル２ａ、２ｂの近傍では周期的な疎密な間欠流（高圧の一次流体塊）１４が生成されるため、二次流体はこの一次流体の疎密な間欠流（高圧の一次流体塊）１４の界面と界面の間に入り込み局所的にエネルギーの可逆的な授受が行われる。しかも、その界面は流体の流れ方向（エジェクタ軸方向）にほぼ鉛直となっているため、有効エネルギーの損失が抑制され、したがってエジェクタの効率が向上する。
さらにまた、一方のノズル２ａから一次流体が噴出していない時間には他方のノズル２ｂから一次流体が噴出しているので、ノズルヘッダ３の全体でみると常に一次流体が噴出していることになり、間欠流による単位時間あたりの一次流体流量を減少させることなく、むしろ増加させることができる。ただし、各ノズルの口径、噴射圧力、噴射時間を適切に設定することが必要である。また、一次流体流量の増加によりエジェクタ１の小型化が可能となる。
【００１４】
図３は本発明における一次流体制御装置の一構成例を示す図で、図４はノズルヘッダの正面図、図５はシャッター機構のシャッターの正面図である。
この例では、一次流体制御装置５をノズルヘッダ３内で回転するシャッター機構１５として構成したものである。シャッター機構１５は、回転軸１６にシャッター１７を取り付け、この回転軸１６を図示しない駆動モータで回転することにより、ノズル２への流路をＯＮ／ＯＦＦする。ノズル２はノズルヘッダ３において同一円周上に均等に配置されており、ノズル２の数はこの例では８個としており、そのうちの４個のノズル２への流路が同時にＯＮ／ＯＦＦするようにシャッター１７に切欠き状の開口部１８（図５参照）、または貫通孔１９（図３参照）が設けられている。
したがって、このシャッター１７が１回転することにより、１つ１つのノズル２は４回のＯＮ／ＯＦＦを行うので、４周期分の間欠流を発生することができ、一次流体流量の総和をどの時間においてもほぼ一定にすることができる。
【００１５】
図６は本発明における一次流体制御装置の別の構成例を示す図である。この例では、一次流体制御装置５を各々のノズル２の流路の開閉を行う電磁弁切替装置２０として構成したものである。ノズル２はノズルヘッダ３において全体的に均等に配置されている。各ノズル２の流路には電磁弁２１が取り付けられ、それらの上流側は前記一次流体供給配管７に集合している。そして、外部の電磁弁制御コントローラ２２によって電磁弁２１を順次１つずつ、または複数同時に、切り替えることにより、各々のノズル２が間欠流を発生する。
【００１６】
一次流体制御装置としては、上記の構成例のほかに、特許文献１に開示された、一次流体供給配管内に設けた内管の周期的加熱制御方式（バブル方式）、一次流体供給装置の周期的供給制御方式（ダイヤフラムポンプ等のポンプ方式）、一次流体加熱装置への高電場の周期的印加制御方式などを利用することができ、また、一次流体供給をスイッチングを行う流体素子により制御する方式を利用することもできる。
【００１７】
図７は本発明のエジェクタの別の構成例を示す図である。この図に示すように、ノズルヘッダ３と一次流体制御装置５は、二次流体導入部９の後端壁９ａを挟んで内外に設置することもできる。このように構成することにより、一次流体制御装置５を外部に設置できるので、エジェクタ内部の構成が簡潔となり、設計やメンテナンスが容易となる。
【００１８】
図８は本発明のエジェクタ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要図である。
エジェクタ１は、複数のノズル２を設けたノズルヘッダ３、ディフューザ４、一次流体制御装置５により主として構成される。ノズルヘッダ３は、一次流体制御装置５を介して、一次流体供給配管７により一次流体加熱装置６、一次流体供給装置８に接続されている。また、エジェクタ１は二次流体供給配管１０を介して蒸発器３１に接続されている。エジェクタ１の流出側には流出配管１２を介して凝縮器３２が接続されている。凝縮器３２に流入する一次流体と二次流体の混合気は凝縮器３２に接続されている冷却水配管３３により冷却され、凝縮する。凝縮した液は、配管３４を流れ、一次流体供給装置８により一次流体加熱装置６に戻されると同時に、二次流体戻り配管３５、減圧弁３６を介して蒸発器３１に戻る。
蒸発器３１内の二次流体がエジェクタ１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３１に接続されている冷熱負荷３７を冷却する。
【００１９】
このエジェクタ１を用いることにより、上述したようにディフューザ４を通過する流体の吐出量を減ずることなく、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、つまり冷熱量が増大するため、冷凍機としての効率（ＣＯＰ）が向上する。
【００２０】
なお、一次流体加熱装置６に接続されている熱交換器３８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、炭化水素系冷媒、あるいはこれらの混合物などが利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明のエジェクタの基本原理を説明するための概要図。
【図２】本発明における一次流体の流れのパターンを示す説明図。
【図３】本発明における一次流体制御装置の一構成例を示す図。
【図４】図３のノズルヘッダの正面図。
【図５】図３のシャッター機構のシャッターの正面図。
【図６】本発明における一次流体制御装置の別の構成例を示す図。
【図７】本発明のエジェクタの別の構成例を示す図。
【図８】本発明の冷凍システムの概要図。
【符号の説明】
【００２２】
１  エジェクタ、２  ノズル、３  ノズルヘッダ、４  ディフューザ、５  一次流体制御装置、６  一次流体加熱装置、７  一次流体供給配管、８  一次流体供給装置、９  二次流体導入部、１０  二次流体供給配管、１１  二次流体供給装置、１２  流出配管、１４  間欠流（高圧の一次流体塊）、１５  シャッター機構、１６  回転軸、１７  シャッター、２０  電磁弁切替装置、２１  電磁弁、２２  電磁弁制御コントローラ、３１  蒸発器、３２  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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【図６】
2005155571.tif 000008
【図７】
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【図８】
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