JP2004076742A - エジェクタの効率向上方法及びエジェクタの有効エネルギー損失の抑制方法 - Google Patents

Abstract

【課題】　比較的簡単な構成としたエジェクタを用いることにより一次流体（高エネルギー流体）を非定常流とし、さらに一次流体（高エネルギー流体）と二次流体（低エネルギー流体）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。
【解決手段】　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用い、エジェクタ内部において、一次流体と二次流体との直接接触による圧力交換により両流体間のエネルギー交換を行うにあたり、一次流体を非定常流とすることにより有効エネルギーの損失を低減する。
【選択図】　　　　図４

Description

　本発明は、真空生成、圧縮、昇圧などに供されるエジェクタの分野において、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の効率向上方法及びエジェクタの有効エネルギー損失の抑制方法に関する。

　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。

　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。

　例えば、特許文献１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は同文献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１１４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。
米国特許第6,138,456号明細書

　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１１４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１１４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１１２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方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-steady 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。

　上記のように特許文献１のエジェクタでは、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。特許文献１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。

　本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、比較的簡単な構成としたエジェクタを用いることにより一次流体（高エネルギー流体）を非定常流とし、さらに一次流体（高エネルギー流体）と二次流体（低エネルギー流体）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、エジェクタの効率向上方法及びエジェクタの有効エネルギー損失の抑制方法を提供することを目的としている。

　本発明に係るエジェクタの効率向上方法は、エジェクタ内部において、高エネルギー流体と低エネルギー流体との直接接触による圧力交換により両流体間のエネルギー交換を行うにあたり、高エネルギー流体を非定常流とすることにより有効エネルギーの損失を低減することを特徴とする。

　また、本発明に係るエジェクタの有効エネルギー損失の抑制方法は、エジェクタ内部において、高エネルギー流体と低エネルギー流体との直接接触による圧力交換により両流体間のエネルギー交換を行うにあたり、両流体間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高エネルギー流体を非定常流とすることを特徴とする。

　ここに、本発明によるエジェクタは、高エネルギー流体（以下、「一次流体」という）の噴流によって低エネルギー流体（以下、「二次流体」という。）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。

　また、本発明のエジェクタの効率向上方法又はエジェクタの有効エネルギー損失の抑制方法においては、非定常流の形態を間欠流もしく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。

　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。

（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。

（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。

（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。

（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。

　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。

　また、本発明による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、冷凍システムを構成することができる。

　本発明によるエジェクタを使用することにより、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することができ、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。

　以上のように、本発明によるエジェクタを使用することにより、エジェクタ内部において、一次流体と二次流体との直接接触による圧力交換により両流体間のエネルギー交換を行うにあたり、一次流体を非定常流とすることができ、それにより有効エネルギーの損失を低減することができるため、エジェクタの効率が大幅に向上する効果がある。
　また、エジェクタ内部において、一次流体と二次流体との直接接触による圧力交換により両流体間のエネルギー交換を行うにあたり、両流体間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を非定常流とすることができ、そのためエジェクタの有効エネルギーの損失を抑制できる効果がある。

　以下、本発明の方法において使用するエジェクタの実施の形態を図面を用いて説明する。

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。

　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。

　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。

　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。

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。

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。

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２１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。

　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。

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５２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５６を冷却する。

　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（ＣＯＰ）が向上する。

　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。

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１の細管群を示す概略図である。 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。 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。 本発明の実施形態２によるエジェクタの概要図である。 本発明の実施形態３によるエジェクタの概要図である。 本発明の実施形態４によるエジェクタの概要図である。 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。 従来のエジェクタの概要図である。 米国特許第6,138,456号明細書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 (4)

1. 　エジェクタ内部において、高エネルギー流体と低エネルギー流体との直接接触による圧力交換により両流体間のエネルギー交換を行うにあたり、高エネルギー流体を非定常流とすることにより有効エネルギーの損失を低減することを特徴とするエジェクタの効率向上方法。
2. 　エジェクタ内部において、高エネルギー流体と低エネルギー流体との直接接触による圧力交換により両流体間のエネルギー交換を行うにあたり、両流体間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高エネルギー流体を非定常流とすることを特徴とするエジェクタの有効エネルギー損失の抑制方法。
3. 　非定常流の形態を間欠流もしくは脈動流とすることを特徴とする請求項１記載のエジェクタの効率向上方法。
4. 　非定常流の形態を間欠流もしくは脈動流とすることを特徴とする請求項２記載のエジェクタの有効エネルギー損失の抑制方法。
   

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