(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（１０）にて圧縮された高温高圧の冷媒を放冷する高圧側熱交換器（２０）、及び減圧された低温低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器（３０）を有して低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用されるエジェクタであって、
前記高圧側熱交換器（２０）から流出した高圧の冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル（４１）と、
前記ノズル（４１）から噴射する冷媒と前記蒸発器（３０）から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部（４２、４３）と、
前記ノズル（４１）の軸線方向に変位し、前記ノズル（４１）の絞り開度を調節するニードル弁（４６）と、
前記高圧側熱交換器（２０）から流出して前記ノズル（４１）に流入する高圧の冷媒が充満する駆動室（４７ａ）と、
前記駆動室（４７ａ）に隣接配置され、不活性ガスが封入された作動室（４７ｂ）と、  前記駆動室（４７ａ）と前記作動室（４７ｂ）とを仕切るとともに、前記駆動室（４７ａ）内の圧力と前記作動室（４７ｂ）内の圧力との圧力差に応じて変位して前記ニードル弁（４６）を変位させる仕切部材（４７ｇ）と、
前記駆動室（４７ａ）及び前記作動室（４７ｂ）の外殻を形成するハウジング（４７ｅ）とを備え、
前記仕切部材は、シール手段（４７ｈ）を介して前記ハウジング（４７ｅ）の内面に摺動可能に配置されたピストン（４７ｇ）であることを特徴とするエジェクタ。
【請求項２】
前記仕切部材（４７ｇ）は、前記駆動室（４７ａ）内の圧力が前記作動室（４７ｂ）内の圧力より大きくなると前記ノズル（４１）の絞り開度が大きくなるように前記ニードル弁（４６）を変位させ、前記駆動室（４７ａ）内の圧力が前記作動室（４７ｂ）内の圧力より小さくなると前記ノズル（４１）の絞り開度が小さくなるように前記ニードル弁（４６）を変位させるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気圧縮式冷凍サイクル。
【請求項３】
前記圧縮機（１０）は冷媒を冷媒の臨界圧力以上まで圧縮することを特徴とする請求項１又は２に記載のエジェクタ。
【請求項４】
冷媒として二酸化炭素を用いたことを特徴とする請求項１又は２に記載のエジェクタ。
【請求項５】
前記仕切部材（４７ｇ）を前記駆動室（４７ａ）側に変位させる弾性力を前記仕切部材（４７ｇ）に作用させる弾性手段（４７ｊ）を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載のエジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクル用のエジェクタに関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、電気式のアクチュエータを用いた場合に比べて、安価に高圧側冷媒圧力を制御することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、圧縮機（１０）にて圧縮された高温高圧の冷媒を放冷する高圧側熱交換器（２０）、及び減圧された低温低圧の冷媒を蒸発させる蒸発器（３０）を有して低温側の熱を高温側に移動させる蒸気圧縮式冷凍サイクルに適用されるエジェクタであって、高圧側熱交換器（２０）から流出した高圧の冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル（４１）と、ノズル（４１）から噴射する冷媒と蒸発器（３０）から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させる昇圧部（４２、４３）と、ノズル（４１）の軸線方向に変位し、ノズル（４１）の絞り開度を調節するニードル弁（４６）と、高圧側熱交換器（２０）から流出してノズル（４１）に流入する高圧の冷媒が充満する駆動室（４７ａ）と、駆動室（４７ａ）に隣接配置され、不活性ガスが封入された作動室（４７ｂ）と、駆動室（４７ａ）と作動室（４７ｂ）とを仕切るとともに、駆動室（４７ａ）内の圧力と作動室（４７ｂ）内の圧力との圧力差に応じて変位してニードル弁（４６）を変位させる仕切部材（４７ｇ）と、駆動室（４７ａ）及び作動室（４７ｂ）の外殻を形成するハウジング（４７ｅ）とを備え、仕切部材は、シール手段（４７ｈ）を介してハウジング（４７ｅ）の内面に摺動可能に配置されたピストン（４７ｇ）であることを特徴とする。
【０００６】
これにより、電気式のアクチュエータを用いた場合に比べて、安価に高圧側冷媒圧力を略一定となるように制御することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、仕切部材（４７ｇ）は、駆動室（４７ａ）内の圧力が作動室（４７ｂ）内の圧力より大きくなるとノズル（４１）の絞り開度が大きくなるようにニードル弁（４６）を変位させ、駆動室（４７ａ）内の圧力が作動室（４７ｂ）内の圧力より小さくなるとノズル（４１）の絞り開度が小さくなるようにニードル弁（４６）を変位させるように構成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明のごとく、圧縮機（１０）は冷媒を冷媒の臨界圧力以上まで圧縮してもよい。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明のごとく、冷媒として二酸化炭素を用いてもよい。
【００１７】
また、請求項５に記載の発明のごとく、仕切部材（４７ｇ）を駆動室（４７ａ）側に変位させる弾性力を仕切部材（４７ｇ）に作用させる弾性手段（４７ｊ）を備えてもよい。
【００２０】
因みに、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一例である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本実施形態は、ヒートポンプユニット１として、エジェクタ方式の減圧装置を有する蒸気圧縮式冷凍サイクルを用いたもので、図１は本実施形態に係る給湯器の模式図である。
【００２２】
圧縮機１０は冷媒を吸入圧縮するものであり、水冷媒熱交換器２０は圧縮機１０から吐出した冷媒と給湯水とを対向流れ状態で熱交換して給湯水を加熱することにより冷媒を冷却する高圧側熱交換器である。
【００２３】
なお、圧縮機１０は電動モータ（図示せず。）により駆動されており、水冷媒熱交換器２０の加熱能力を大きくするときには、圧縮機１０の回転数を増大させて圧縮機１０から吐出する冷媒の流量を増大させ、一方、加熱能力を小さくするときには、圧縮機１０の回転数を低下させて圧縮機１０から吐出する冷媒の流量を減少させる。
【００２４】
因みに、本実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いているので、水冷媒熱交換器２０内の冷媒圧力は冷媒の臨界圧力以上となり、かつ、水冷媒熱交換器２０内で冷媒が凝縮することなく、冷媒入口側から冷媒出口側に向かうほど冷媒温度が低下するような温度分布を有する。
【００２５】
蒸発器３０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冷媒を蒸発させて室外空気から吸熱する低圧側熱交換器であり、エジェクタ４０は冷媒を減圧膨張させて蒸発器３０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１０の吸入圧を上昇させるものである。なお、エジェクタ４０の詳細は、後述する。
【００２６】
また、気液分離器５０はエジェクタ４０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手段であり、気液分離器５０の気相冷媒流出口は圧縮機１０の吸引側に接続され、液相冷媒流出口は蒸発器３０側の流入側に接続される。
【００２７】
なお、図２はエジェクタサイクルの全体のマクロ的作動を示すｐ−ｈ線図であり、そのマクロ的作動は周知のエジェクタサイクルと同じであるので、本実施形態では、エジェクタサイクル全体のマクロ的作動の説明は省略する。因みに、図２の●で示される符号は、図１に示す●で示される符号位置における冷媒の状態を示すものである。
【００２８】
次に、図３に基づいてエジェクタ４０の構造について述べる。
【００２９】
エジェクタ４０は、流入する高圧冷媒の圧力エネルギーを速度エネルギーに変換して冷媒を減圧膨張させるノズル４１、ノズル４１から噴射する高い速度の冷媒流により蒸発器３０にて蒸発した気相冷媒を吸引しながら、ノズル４１から噴射する冷媒流とを混合する混合部４２、及びノズル４１から噴射する冷媒と蒸発器３０から吸引した冷媒とを混合させながら速度エネルギーを圧力エネルギーに変換して冷媒の圧力を昇圧させるディフューザ４３等からなるものである。
【００３０】
なお、混合部４２においては、ノズル４１から噴射する冷媒流の運動量と、蒸発器３０からエジェクタ４０に吸引される冷媒流の運動量との和が保存されるように混合するので、混合部４２においても冷媒の静圧が上昇する。一方、ディフューザ４３においては、通路断面積を徐々に拡大することにより、冷媒の動圧を静圧に変換するので、エジェクタ４０においては、混合部４２及びディフューザ４３の両者にて冷媒圧力を昇圧する。そこで、混合部４２とディフューザ４３とを総称して昇圧部と呼ぶ。
【００３１】
つまり、理想的なエジェクタ４０においては、混合部４２で２種類の冷媒流の運動量の和が保存されるように冷媒圧力が増大し、ディフューザ４３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のぞましい。
【００３２】
因みに、ノズル４１の周りには、ボディ４４により形成された吸引室４５が形成されており、蒸発器３０から吸引された気相冷媒は、吸引室４５を経由して混合部４２に流れる。
【００３３】
また、ノズル４１は、通路途中に通路面積が最も縮小した喉部を有する末広型のノズルであり、ノズル４１の絞り開度、すなわち喉部の開度は、高圧側の冷媒圧力が略一定となるように、ニードル弁４６にて制御される。なお、ニードル弁４６は先端側が尖った円錐テーパ状のもので、ノズル４１内において機械式のアクチュエータ４７により軸線方向に変位させる。
【００３４】
ここで、機械式のアクチュエータ４７は、ノズル４１に流入する高圧冷媒が充満する駆動室４７ａと不活性ガスが封入された作動室４７ｂとを仕切るとともに、駆動室４７ａ内の圧力と作動室４７ｂ内の圧力との圧力差に応じて変位してニードル弁４６を変位させる仕切部材としてのダイヤフラム４７ｃ、ダイヤフラム４７ｃの駆動室４７ａ側に配置されてダイヤフラム４７ｃの最大変位を規制するストッパ４７ｄ等、並びに駆動室４７ａ及び作動室４７ｂの外殻を形成するステンレス製のハウジング４７ｅ等からなるものである。
【００３５】
因みに、本実施形態では、不活性ガスとして窒素ガスを用いているが、ヘリウムガスやアルゴンガス等の不活性ガスを用いてもよい。また、本実施形態では、ダイヤフラム４７ｃ及びニードル弁４６をステンレス製として両者をろう付け接合しているが、本実施形態はこれに限定されるものでない。
【００３６】
次に、ニードル弁４６の作動を中心に本実施形態に係るエジェクタ４０の作動を説明する。
【００３７】
駆動室４７ａと作動室４７ｂとはダイヤフラム４７ｃを挟んで仕切られ、かつ、ニードル弁４６はダイヤフラム４７ｃと一体的に変位するように構成されている。このとき、駆動室４７ａ内の圧力は、ノズル４１の絞り開度が大きくなる向きにニードル弁４６が変位するような力をダイヤフラム４７ｃに対して作用させ、一方、作動室４７ｂ内の圧力は、ノズル４１の絞り開度が小さくなる向きにニードル弁４６が変位するような力をダイヤフラム４７ｃに対して作用させる。
【００３８】
そして、駆動室４７ａ内の圧力が上昇して作動室４７ｂ内の圧力より大きくなると、図３に示すように、ノズル４１の絞り開度が大きくなるようにダイヤフラム４７ｃ及びニードル弁４６が変位するため、駆動室４７ａ内の圧力、すなわち高圧側の冷媒圧力上昇が抑制され、その圧力は、作動室４７ｂ内の圧力と同等となる。
【００３９】
逆に、駆動室４７ａ内の圧力が低下して作動室４７ｂ内の圧力より小さくなると、図４に示すように、ノズル４１の絞り開度が小さくなるようにダイヤフラム４７ｃ及びニードル弁４６が変位するため、駆動室４７ａ内の圧力、すなわち高圧側の冷媒圧力低下が抑制され、その圧力は、作動室４７ｂ内の圧力と同等となる。
【００４０】
したがって、ノズル４１の絞り開度は、高圧側の冷媒圧力と作動室４７ｂ内の圧力と略同一となるように機械的に制御されることとなる。
【００４１】
このとき、作動室４７ｂ内には、不活性ガスが封入されており、封入されたガスが凝縮しないことに加えて、ダイヤフラム４７ｃの変位量、及び駆動室４７ａに流入する冷媒の温度変化に対する封入ガスの圧力変化量は微少であるため、作動室４７ｂ内の圧力は、実用範囲内においては、略一定となる。したがって、機械式のアクチュエータ４７は、高圧側の冷媒圧力が、略一定となるようにノズル４１の絞り開度を調節することとなる。
【００４２】
次に、本実施形態の作用効果を述べる。
【００４３】
「発明が解決しようとする課題」の欄で述べたように、気温の高い夏場には、圧縮機１０に流入する冷媒の温度が上昇して圧縮機１０に吸入される冷媒のエントロピが小さくなるので、図２に示すように、気温の低い冬場と同等の給湯温度を得るためには、高圧側冷媒圧力、すなわち、圧縮機１０の吐出圧を冬場より高くする必要がある。
【００４４】
一方、給湯器に求められる給湯要求、すなわち給湯温度及び給湯水量は、年間を通して一定ではなく、気温の高い夏場における給湯要求は、気温の低い冬場における給湯要求に比べて小さい。
【００４５】
したがって、本実施形態のごとく、年間を通して高圧側冷媒圧力が略一定となるようにヒートポンプユニット１を制御すれば、気温の高い夏場には給湯温度が気温の低い冬場に比べて低下するものの、実用上問題はなく、むしろ、気温の高い夏場に合わせて水冷媒熱交換器２０や圧縮機１０等の高圧側機器の耐圧性を必要以上に高める必要がないので、給湯器の製造原価低減を図りつつ、給湯器の耐圧信頼性を高めることができる。
【００４６】
また、本実施形態では、作動室４７ｂ内に不活性ガスを封入した簡便な構造のアクチュエータ４７によりノズル４１の絞り開度を制御するので、電気式のアクチュエータを用いた場合に比べて、安価に高圧側冷媒圧力を制御することができる。
【００４７】
（第２実施形態）
第１実施形態では、仕切部材を薄膜状のダイヤフラム４７ｃにて構成したが、本実施形態は、図５に示すように、仕切部材を蛇腹状のベローズ４７ｆにて構成したものである。なお、本実施形態では、ベローズ４７ｆの内部が作動室４７ｂとなる。
【００４８】
これにより、第１実施形態に比べてニードル弁４６の変位量、すなわちストロークを大きく設定することが可能となる。
【００４９】
（第３実施形態）
本実施形態は、図６に示すように、仕切部材をＯリング等のシール手段４７ｈを介して摺動可能に配置されたピストン４７ｇにて構成したものである。
【００５０】
これにより、第１実施形態に比べてニードル弁４６の変位量、すなわちストロークを大きく設定することが可能となる。
【００５１】
（第４実施形態）
本実施形態は、図７に示すように、不活性ガスに加えて、仕切部材（この例では、ピストン４７ｇ）を駆動室４７ａ側に押圧する弾性力を仕切部材に作用させる弾性手段としてのコイルバネ４７ｊを作動室４７ｂ内に設けたものである。
【００５２】
なお、図７は第３実施形態に本実施形態を適用したものであるが、本実施形態は、これに限定されるものではなく、第１又は第２実施形態に対して本実施形態を適用することができる。
【００５３】
また、弾性手段としてのコイルバネ４７ｊの配置場所は、作動室４７ｂ内に限定されるものではなく、作動室４７ｂ外、例えば第２実施形態では、ベローズ４７ｆの外側や駆動室４７ａ側に配置してもよい。
【００５４】
（第５実施形態）
本実施形態は、蒸発器３０の除霜運転をすることができるようにしたものである。
【００５５】
具体的には、図８に示すように、エジェクタ４０にて減圧される前の高温・高圧冷媒を蒸発器３０の冷媒入口側（気液分離器５０側）に導く除霜回路６０を開閉する電磁式の開閉弁６１を設けるととともに、除霜回路６０にて導かれた高温・高圧冷媒が気液分離器５０に流れ込むことを防止する逆止弁６２を設けたものである。なお、エジェクタ４０は、第１〜４実施形態のいずれのものであってもよい。
【００５６】
次に、本実施形態の特徴的作動及びその効果を述べる。
【００５７】
１．通常運転（給湯水を加熱する運転）
開閉弁６１を閉じて圧縮機１０を稼動させる。これにより、第１〜４実施形態で述べたように、高圧側の冷媒圧力が略一定となるように制御された状態でヒートポンプユニット１が運転される。
【００５８】
２．除霜運転
開閉弁６１を開いた状態で圧縮機１０を稼動させる。これにより、高圧側の冷媒圧力が低下するので、駆動室４７ａ内の圧力が低下し、図４に示すように、ノズル４１の絞り開度が小さくなり、最終的にはノズル４１は全閉状態となる。
【００５９】
このため、圧縮機１０から吐出された高温の冷媒全量が除霜回路６０を経由して蒸発器３０に流入し、蒸発器３０を加熱して蒸発器３０の表面に付着した霜を融解させる。
【００６０】
そして、蒸発器３０を流出した冷媒は、混合部４２及びディフューザ４３を経由して気液分離器５０に流入し、再び、圧縮機１０にて加圧される。
【００６１】
以上に述べたように、本実施形態では、除霜回路６０及び開閉弁６１を追加するといった簡単な手段にて除霜運転を行うことができ、給湯器の製造原価上昇を抑制できる。
【００６２】
なお、図８では、水冷媒熱交換器２０の出口側から除霜回路６０に高温の冷媒を導入したが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、水冷媒熱交換器２０の入口側又は水冷媒熱交換器２０の途中から除霜回路６０に高温の冷媒を導入してもよい。
【００６３】
（その他の実施形態）
上述の実施形態では、冷媒として二酸化炭素を用いたが本発明はこれに限定されるものではなく、例えばフロンを用いてもよい。なお、冷媒をフロンとした場合には、水冷媒熱交換器２０内の冷媒圧力は冷媒の臨界圧力以下であり、水冷媒熱交換器２０にて冷媒が凝縮する。
【００６４】
また、上述の実施形態では、アクチュエータ４７及びエジェクタ４０をステンレスで形成したが、耐食性及び必要な強度を備える材質であれば、本発明はこれに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る給湯器の模式図である。
【図２】エジェクタサイクルのｐ−ｈ線図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るエジェクタの模式図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るエジェクタの模式図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係るエジェクタの模式図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係るエジェクタの模式図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係るエジェクタの模式図である。
【図８】本発明の第５実施形態に係る給湯器の模式図である。
【符号の説明】
４０…エジェクタ、４１…ノズル、４２…混合部、４３…ディフューザ、
４４…ボディ、４５…吸引室、４６…ニードル弁、
４７…アクチュエータ、４７ａ…駆動室、４７ｂ…作動室、
４７ｃ…ダイヤフラム、４７ｄ…ストッパ。
【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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