JP2002333000A

JP2002333000A - エジェクタおよび冷凍システム

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Publication number: JP2002333000A
Application number: JP2001141597A
Authority: JP
Inventors: Kanetoshi Hayashi; 謙年林; Hidemasa Ogose; 英雅生越
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2002-11-22
Anticipated expiration: 2021-05-11
Also published as: JP3589194B2

Abstract

(57)【要約】【課題】比較的簡単な構成で一次流体を非定常流と
し、さらに一次流体と二次流体の界面が流体流れ方向に
対してほぼ鉛直となるようにすることにより、有効エネ
ルギーの損失を抑制し、エジェクタの効率を向上するこ
とができる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１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生成する。

Description

【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】従来のエジェクタは、図９に示すよう
に、ノズル１００とディフューザ１０２を備え、ノズル
１００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１０２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１０４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】有効エネルギーの損失を抑制し、エジェク
タの効率を向上させるためには、高エネルギー流体と低
エネルギー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鉛直なっていることが望まし
い。言い換えれば、両流体界面の法線方向に流体が流れ
ていることが望ましい。この状態では、両流体が極力交
じり合わないような状態で流体間の界面を介してエネル
ギー（圧力）の授受が可逆的に行われる。さらに、高エ
ネルギー流体と低エネルギー流体は界面を介してエネル
ギーを交換し、概略同一エネルギー状態となった後に混
合する。このため、吸引・混合時の有効エネルギー損失
は、せん断による場合に比較して大幅に低減される。こ
のような、高エネルギー流体と低エネルギー流体の界面
がそれらの流れ方向に対して鉛直になっている状態は、
従来のエジェクタの如く一次流体噴流が定常的に流れて
いる場合には実現不可能である。

【０００４】ＵＳＰ6,138,456公報に開示されているエ
ジェクタは、上記の状態を実現する一つの方策を提供し
ている。図１０は同公報に示されたエジェクタの断面図
である。図１０において、１１０は一次流体供給配管、
１１１は二次流体供給配管、１１２は一次流体供給配管
１１０の先端部に取り付けられたノズル、１１３はディ
フューザ、１１４はノズル１１２に対向して回転自在に
設けられた円錐体状のロータで、その円錐表面には複数
の羽根１１５が取り付けられている。１１６はロータ１
１４を支持する軸、１１７はディフューザ１１３内に同
心に固定されたスピンドルで、ロータ１１４を同心軸上
で支持する紡錘形状の部材である。

【０００５】このエジェクタは、ノズル１１２の噴射口
に対向して極低摩擦で自由回転する円錐体状のロータ１
１４を配設し、このロータ１１４の円錐面上に複数の傾
斜した羽根１１５を設け、この羽根１１５付きロータ１
１４をディフューザ１１３内に同軸に支持する構成とな
っている。かかるエジェクタの構成によると、ノズル１
１２からの一次流体の噴流がロータ１１４に取り付けら
れた羽根１１５に作用し、ロータ１１４が自由回転す
る。回転しているロータ１１４の羽根１１５が横切る下
流側には、一次流体のらせん流が形成される。このらせ
ん流の速度成分は、エジェクタ軸方向に大きな速度成分
を持つ。二次流体はこの一次流体らせん流のらせんとら
せんの間に保持され、あたかもらせん形状のピストンで
押されるようにして運搬される。この際、一次流体と二
次流体の界面が、流体の速度方向に対して平行ではな
く、らせんの強さに応じた角度を有するため、容積ポン
プ的な現象に近くなり、せん断により巻き込む従来法式
に比較してエントロピの増大、すなわち有効エネルギー
の損失を低減することができる。さらに、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）を交換
して概略等エネルギー状態となった後に混合するため、
エネルギー状態の異なる流体が直接混合する場合に比較
して有効エネルギー損失を抑制することができる。これ
らの効果により、エジェクタの効率が向上する。この一
次流体および二次流体のらせん流は「非定常流(non-ste
ady flow）」と呼ばれている。ここに、非定常流とは、
流量、速度、圧力、温度などの状態が時間的、空間的に
変化する流れをいう。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記のようにＵＳＰ6,
138,456公報によるエジェクタは、一次流体の非定常ら
せん流を生成し、これによりエジェクタの効率を向上さ
せている。しかしながら、このエジェクタでは、自由回
転する羽根付きロータをノズル下流側に設置する必要が
あるため、エジェクタ構造が従来のものに比較して複雑
となり、また、稼働部となる回転体の回転軸、軸受の耐
久性などから、メンテナンスの必要が生じる。さらに、
一次流体と二次流体の界面が流体の速度方向に対して鉛
直にはなり得ないという問題点もある。一次流体と二次
流が、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、界面が流体の速度方向に対して
鉛直であることが望ましい。界面が速度方向に対して鉛
直でない場合には、界面と平行方向の速度成分に起因す
るせん断による巻き込みが発生し、効率が低下してしま
うためである。ＵＳＰ6,138,456公報のらせん流は、羽
根付きロータの羽根取付角度によりらせんの強さを調整
可能である。羽根取付角度を一次流体噴流速度方向に対
して鉛直に近づけることにより、一次流体／二次流体界
面の速度方向に対する角度を鉛直に近づけることは可能
であるが、真の鉛直にはなり得ない。また、羽根取付角
度を一次流体噴流速度方向に対して鉛直に近づけること
は、一次流体流れに対して抵抗となり、別の意味で効率
を低下させてしまう。

【０００７】本発明は、かかる課題を解決するためにな
されたもので、比較的簡単な構成で一次流体を非定常流
とし、さらに一次流体と二次流体の界面が流体流れ方向
に対してほぼ鉛直となるようにすることにより、有効エ
ネルギーの損失を抑制し、エジェクタの効率を向上する
ことができる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。

【０００８】

【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してなることを特徴と
するものである。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】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。このような間欠流あるいは脈動流とするこ
とによって、ロータ等の旋回または回転を伴わずに一次
流体の非定常流を生成することが可能となる。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。

【００１０】以上のような、一次流体の非定常流は、
（１）一次流体供給配管内に設けた内管の周期的加熱制
御、（２）一次流体供給装置の周期的供給制御、（３）
一次流体供給制御装置の周期的流量制御、（４）一次流
体加熱装置への高電場の周期的印加制御のいずれかの方
法により生成することができる。

【００１１】（１）の方法では、一次流体供給配管内に
設けた内管を周期的に加熱することによって、内管内の
液を蒸発させ、その気泡によって液を吐出させる。これ
をノズルに導き、気相となった一次流体をノズル先端か
ら噴出させることにより、一次流体の非定常流を生成す
ることができる。

【００１２】（２）の方法では、一次流体供給装置とし
て、例えばダイヤフラムポンプの如き間欠押し出し式の
ものを用い、これを周期的に制御するものである。

【００１３】（３）の方法では、一次流体供給制御装置
として、例えば電磁弁等を用い、これを周期的に開閉制
御するものである。

【００１４】（４）の方法では、一次流体加熱装置内
に、例えば絶縁被覆電極を設け、これに高電場を周期的
に印加することにより、加熱装置内の一次流体の蒸発量
の増減を間欠的に行うものである。

【００１５】本発明のエジェクタは、上記のことから明
らかなように、エジェクタ内部にロータのような回転体
が存在せず、構造が比較的単純であり、低コストであ
る。

【００１６】本発明の冷凍システムは、請求項１〜７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。

【００１７】本発明のエジェクタは、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。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、
図９の従来例を用いた冷凍システムと比較すると、本発
明では同一量の二次流体を吸引するに必要な一次流体量
が１／３以下に低減され、すなわち、効率が３倍以上に
向上する。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を用いて説明する。

【００１９】実施の形態１．図１は、本発明の実施の形
態１によるエジェクタの概要を示す図である。このエジ
ェクタ１は、ノズル２と、内部にノズル２を同心状に配
したディフューザ３とから主として構成されている。デ
ィフューザ３は上流側に導入部４を有し、ノズル２はこ
の導入部４を貫く一次流体供給配管５の先端部に取り付
けられている。ノズル２は、一次流体供給配管５によ
り、一次流体加熱装置６を介してポンプなどからなる一
次流体供給装置７に接続されており、また、ディフュー
ザ３の導入部４には、二次流体供給配管８を介して二次
流体の供給元である二次流体供給部９が接続されてい
る。ディフューザ３は流出配管１０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。

【００２０】図１には、一次流体の非定常流生成手段の
一例として、内管を細管群１１により構成したものが示
されている。この細管群１１は、一次流体供給配管５の
内部上流側に設置され、一次流体加熱装置６に接続され
ている。また、細管群１１は、図２に示すように、細管
１２を複数本束ねた構成となっており、それぞれの細管
１２の先端部に加熱手段１３を設けたものである。加熱
手段１３は、例えば電気ヒータであり、細管１２を周期
的、かつ、瞬間的に加熱するものである。

【００２１】図３は、加熱手段１３によって細管１２を
加熱したときの一次流体の吐出現象を模式的に示したも
のである。すなわち、一次流体加熱装置６を通過後、過
熱液相状態となっている一次流体が細管１２に充填され
ている状態で、加熱手段１３により瞬間的に加熱した場
合、液の一部が蒸発し、蒸発した気泡１４が一気に膨張
することにより、細管１２内の加熱部１３より先端側に
存在する加熱液を細管１２より押し出す。押し出された
加熱液の液滴１５は蒸発、膨張しつつノズル２に至り、
ノズル２から高速度で噴出することになる。細管群１１
における細管１２の本数は一次流体の流量に応じて任意
の数としてよい。

【００２２】このように、加熱手段１３で瞬間加熱を周
期的に繰り返すことにより、間欠的な一次流体流れが生
成される。図４はその間欠的な一次流体流れがエジェク
タ１内部で生成されている状況を図示したものである。
間欠的な一次流体流れにより、一次流体塊１６が図４の
右方向に流動し、それら一次流体塊１６の狭間に二次流
体が吸引され、二次流体塊１７が形成され、やはり右方
向へ流動する。一次流体塊１６と二次流体塊１７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１６と二次流体塊１７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１６と二次流体塊１７は混
合し、ディフューザ３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１０へと流出する。したがっ
て、一次流体塊１６と二次流体塊１７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。なお、
加熱手段１３は、上記のように電気ヒータを用い、これ
にパルス電流を周期的に印加することにより上記機能を
持たせることが可能となるが、電気ヒータ以外の加熱手
段で断続的に各細管１２を加熱しても構わない。

【００２３】実施の形態２．図５は、本発明の実施の形
態２によるエジェクタの概略図である。この実施の形態
では、図１に示したような細管群１１に代えて、一次流
体の非定常流生成手段の他の例を示すものであり、一次
流体供給装置７として、間欠流もしくは脈動流を発生さ
せる構造のものを使用することにより、間欠的もしくは
脈動的な一次流体流れを生成するものである。このよう
な一次流体供給装置７の例として、ダイヤフラムポンプ
やチューブポンプなどがある。

【００２４】実施の形態３．図６は、本発明の実施の形
態３によるエジェクタの概略図である。この実施の形態
では、実施の形態２と異なり、一次流体供給装置７と一
次流体加熱装置６との間に、一次流体供給制御装置１８
を設置したもので、一次流体供給制御装置１８によって
一次流体の流れに間欠流もしくは脈動流を発生させるも
のである。このような一次流体供給制御装置１８の例と
して、電磁弁などがある。なお、図６では一次流体供給
制御装置１８は、一次流体供給装置７と一次流体加熱装
置６の間に設置してあるが、一次流体加熱装置６の下流
側や、一次流体供給装置７の上流側など、任意の位置に
設置可能である。

【００２５】実施の形態４．図７は、本発明の実施の形
態４によるエジェクタの概略図である。この実施の形態
では、一次流体の非定常流生成手段のさらに他の例とし
て、いわゆる「浅川効果」と称される方法を狙いとする
ものである。すなわち、一次流体加熱装置６は、内部に
熱交換器１９などを備えており、内部で一次流体を蒸発
させる構造となっている。この加熱装置６の内部には、
気相部に高圧電場を印加するための絶縁被覆電極２０が
設置してあり、高電圧電源２１により電圧が印加されて
いる。高圧電場を印加することにより、流体の表面張力
の低下、粘性の低下が生じ、一次流体の蒸発が促進され
る（浅川効果）。したがって、高圧電場をパルス的、周
期的に印加することにより、間欠的もしくは脈動的な一
次流体流れが生成される。なお、図７では高電圧電源２
１は直流電源となっているが、交流電源であっても構わ
ない。

【００２６】上述した一次流体の非定常流は、数Ｈｚ〜
数十Ｈｚの間欠流または脈動流となるように制御され
る。

【００２７】実施の形態５．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の形態を示す概
要図である。エジェクタ１は、ノズル２、ディフューザ
３により主として構成される。ノズル２は、一次流体供
給配管５を介して、一次流体加熱装置６、一次流体供給
装置７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８を介して蒸発器５１に接続されている。エ
ジェクタ１の流出側には流出配管１０を介して凝縮器５
２が接続されている。凝縮器５２に流入する一次流体と
二次流体の混合気は凝縮器５２に接続されている冷却水
配管５４により冷却され、凝縮する。凝縮した液は、配
管５８を流れ、一次流体供給装置７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５９、減
圧弁５７を介して蒸発器５１に戻る。蒸発器５１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５１に接続されている冷熱負荷５
６を冷却する。

【００２８】このエジェクタ１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（Ｃ
ＯＰ）が向上する。

【００２９】なお、一次流体加熱装置６に接続されてい
る熱交換器１９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。

【００３０】

【発明の効果】以上のように、本発明のエジェクタは、
簡単な構成であるうえに、ノズルから噴出する一次流体
の流れを、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な非定常流とするもので
あるので、有効エネルギーの損失が抑制され、エジェク
タの効率を大幅に向上させる効果がある。また、本発明
のエジェクタを用いた冷凍システムでは、単位量の二次
流体を吸引するに必要な一次流体の流量が低減できるこ
とから、一次流体に対する二次流体の流量比が増大し、
冷凍機の効率が向上する効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１によるエジェクタの概要図
である。

【図２】図１の細管群を示す概略図である。

【図３】細管群における一次流体の吐出現象を示す説明
図である。

【図４】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５】本発明の実施形態２によるエジェクタの概要図
である。

【図６】本発明の実施形態３によるエジェクタの概要図
である。

【図７】本発明の実施形態４によるエジェクタの概要図
である。

【図８】本発明の実施形態５による冷凍システムの概要
図である。

【図９】従来のエジェクタの概要図である。

【図１０】ＵＳＰ6,138,456公報に示されたエジェクタ
の断面図である。

【符号の説明】

１エジェクタ２ノズル３ディフューザ４導入部５一次流体供給配管６一次流体加熱装置７一次流体供給装置８二次流体供給配管９二次流体供給部１０流出配管１１細管群１２細管１３加熱手段１６一次流体塊１７二次流体塊１８一次流体供給制御装置２０絶縁被覆電極２１高電圧電源５１蒸発器５２凝縮器

Claims

【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生成して
な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】非定常流の形態を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４】一次流体の非定常流生成方法が、一次流
体供給配管内に設けた内管の周期的加熱制御によること
を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエジェク
タ。
【請求項５】一次流体の非定常流生成方法が、一次流
体供給装置の周期的供給制御によることを特徴とする請
求項１〜３のいずれかに記載のエジェクタ。
【請求項６】一次流体の非定常流生成方法が、一次流
体供給制御装置の周期的流量制御によることを特徴とす
る請求項１〜３のいずれかに記載のエジェクタ。
【請求項７】一次流体の非定常流生成方法が、一次流
体加熱装置への高電場の周期的印加制御によることを特
徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のエジェクタ。
【請求項８】請求項１〜７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。