特許 6031684 エジェクタ及びそれを用いたヒートポンプ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6031684

(24)【登録日】2016年11月4日

(45)【発行日】2016年11月24日

(54)【発明の名称】エジェクタ及びそれを用いたヒートポンプ装置

(51)【国際特許分類】

   F04F 5/46 20060101AFI20161114BHJP

   F04F 5/44 20060101ALI20161114BHJP

   F04F 5/04 20060101ALI20161114BHJP

【ＦＩ】

   F04F5/46 B

   F04F5/44 D

   F04F5/04 Z

【請求項の数】19

【全頁数】23

(21)【出願番号】特願2015-530687(P2015-530687)

(86)(22)【出願日】2014年7月23日

(86)【国際出願番号】JP2014003863

(87)【国際公開番号】WO2015019563

(87)【国際公開日】20150212

【審査請求日】2015年10月13日

(31)【優先権主張番号】特願2013-162688(P2013-162688)

(32)【優先日】2013年8月5日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】314012076

【氏名又は名称】パナソニックＩＰマネジメント株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106116

【弁理士】

【氏名又は名称】鎌田 健司

(74)【代理人】

【識別番号】100170494

【弁理士】

【氏名又は名称】前田 浩夫

(72)【発明者】

【氏名】河野 文紀

(72)【発明者】

【氏名】田村 朋一郎

(72)【発明者】

【氏名】松浦 尭宏

【審査官】 田谷 宗隆

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭６２−２７２０００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平６−２９６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１９６９１９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０４Ｆ ５／４６

Ｆ０４Ｆ ５／０４

Ｆ０４Ｆ ５／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

液相の作動流体が供給される第１ノズルと、
気相の作動流体が吸い込まれる第２ノズルと、
前記第１ノズルの先端部に配置され、前記液相の作動流体を液相状態のまま霧化させる霧化機構と、
前記霧化機構で生成された霧状の作動流体と前記第２ノズルに吸い込まれた前記気相の作動流体とを混合して流体混合物を生成する混合部とを備え、
前記霧化機構は、（ａ）前記液相の作動流体の噴流を生成する噴射部と、（ｂ）前記噴射部からの前記噴流を衝突させる衝突面とを含み、
前記噴流の進行方向に対して前記衝突面が傾斜している、エジェクタ。

【請求項2】

前記噴射部により生成された前記噴流は、前記衝突面と全体的に衝突する、請求項１に記載のエジェクタ。

【請求項3】

前記噴射部は、複数のオリフィスを含む、請求項１又は２に記載のエジェクタ。

【請求項4】

前記複数のオリフィスは、前記第１ノズルの中心軸の周囲に設けられ、且つ、それぞれ、前記中心軸と平行な方向に延びている、請求項３に記載のエジェクタ。

【請求項5】

前記複数のオリフィスは、前記第１ノズルの中心軸の周囲に設けられ、且つ、それぞれ、前記第１ノズルの前記中心軸に対して傾いた方向に延びており、
前記衝突面は、前記複数のオリフィスが設けられた位置よりも前記第１ノズルの前記中心軸から離れた位置で前記第１ノズルの前記中心軸を包囲している円筒面である、
請求項３に記載のエジェクタ。

【請求項6】

前記複数のオリフィスは、前記第１ノズルの中心軸をそれぞれ仮想的に包囲する二重の円環に沿って形成されている、請求項３〜５のいずれか１項に記載のエジェクタ。

【請求項7】

前記複数のオリフィスは、それぞれの断面積が前記作動流体の流れ方向において一定である、請求項３〜６のいずれか１項に記載のエジェクタ。

【請求項8】

前記噴射部は、スリットを含む、請求項１又は２に記載のエジェクタ。

【請求項9】

前記スリットは、前記第１ノズルの中心軸の周囲に設けられ、且つ、前記第１ノズルの前記中心軸と平行な方向に延びている、
請求項８に記載のエジェクタ。

【請求項10】

前記スリットは、前記第１ノズルの中心軸の周囲に設けられ、且つ、前記第１ノズルの前記中心軸に対して傾いた方向に延びており、
前記衝突面は、前記スリットが設けられた位置よりも前記第１ノズルの前記中心軸から離れた位置で前記第１ノズルの前記中心軸を包囲している円筒面である、
請求項８に記載のエジェクタ。

【請求項11】

前記スリットは、前記第１ノズルの中心軸をそれぞれ仮想的に包囲する二重の円環に沿って形成されている、請求項８〜１０のいずれか１項に記載のエジェクタ。

【請求項12】

前記スリットは、断面積が前記作動流体の流れ方向において一定である、請求項８〜１１のいずれか１項に記載のエジェクタ。

【請求項13】

前記衝突面は前記噴射部と前記混合部の内壁面との間に設けられ、前記噴射部から噴射され前記衝突面に衝突した噴流を前記内壁面に向ける、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のエジェクタ。

【請求項14】

前記霧化機構は、１流体方式の霧化機構である、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のエジェクタ。

【請求項15】

前記流体混合物を外部に吐出させる吐出部をさらに備え、
前記吐出部は、前記流体混合物を減速することによって静圧を回復させるディフューザ部を有する、請求項１〜１４のいずれか１項に記載のエジェクタ。

【請求項16】

冷媒蒸気を圧縮する圧縮機と、
冷媒液が流れる熱交換器と、
前記圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気と、前記熱交換器から流出した前記冷媒液とを用いて冷媒混合物を生成する、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のエジェクタと、
前記エジェクタから前記冷媒混合物を受け取り、前記冷媒混合物から前記冷媒液を抽出する抽出器と、
前記抽出器から前記熱交換器を経由して前記エジェクタに至る液経路と、
前記冷媒液を貯留し、前記冷媒液を蒸発させることによって前記圧縮機で圧縮されるべき前記冷媒蒸気を生成する蒸発器と、
を備えた、ヒートポンプ装置。

【請求項17】

前記エジェクタから吐出された前記冷媒混合物の圧力は、前記エジェクタに吸い込まれる前記冷媒蒸気の圧力より高く、前記エジェクタに供給される前記冷媒液の圧力より低い、請求項１６に記載のヒートポンプ装置。

【請求項18】

前記冷媒は、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒である、請求項１６又は１７に記載のヒートポンプ装置。

【請求項19】

前記冷媒は、主成分として水を含む、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載のヒートポンプ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、エジェクタ及びそれを用いたヒートポンプ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

エジェクタは、真空ポンプ、冷凍サイクル装置などの様々な機器の減圧手段として使用されている。図１０に示すように、特許文献１に記載された冷凍サイクル装置２００は、圧縮機１０２、凝縮器１０３、エジェクタ１０４、セパレータ１０５及び蒸発器１０６を備えている。エジェクタ１０４は、駆動流としての冷媒液を凝縮器１０３から受け取り、蒸発器１０６から供給された冷媒蒸気を吸入及び昇圧させてセパレータ１０５に向けて吐出する。セパレータ１０５において冷媒液と冷媒蒸気とが分離される。圧縮機１０２は、エジェクタ１０４によって昇圧された冷媒蒸気を吸入する。これにより、圧縮機１０２の圧縮仕事が低減し、冷凍サイクルのＣＯＰ（coefficient of performance）が向上する。

【0003】

図１１に示すように、エジェクタ１０４は、ノズル１４０、吸引口１４１、混合部１４２及び昇圧部１４３を有する。ノズル１４０の出口の近くには、ノズル１４０の内部と外部とを連通する複数の連通口１４４が設けられている。冷媒蒸気は、吸引口１４１からエジェクタ１０４に吸い込まれる。吸い込まれた冷媒蒸気の一部が連通口１４４を通じてノズル１４０の内部に導かれる。

【0004】

また、エジェクタ１０４のノズル１４０は、出口の近くに縮径部を有する。縮径部において冷媒の流速が上がり、圧力が下がる。従って、ノズル１４０に供給された冷媒（駆動流）は、縮径部において液相から気液二相へと変化する。つまり、図１１に示すエジェクタ１０４は、二相流エジェクタと呼ばれるエジェクタである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第３１５８６５６号公報

【特許文献2】特開２００８−１２２０１２号公報

【発明の概要】

【0006】

エジェクタの性能は、駆動流と吸引流との間の運動量の輸送が効率的に行われるかどうかに依存する。本開示は、エジェクタの性能を向上させるための技術を提供する。

【0007】

すなわち、本開示にかかるエジェクタは、
液相の作動流体が供給される第１ノズルと、
気相の作動流体が吸い込まれる第２ノズルと、
前記第１ノズルの先端部に配置され、前記液相の作動流体を液相状態のまま霧化させる霧化機構と、
前記霧化機構で生成された霧状の作動流体と前記第２ノズルに吸い込まれた前記気相の作動流体とを混合して流体混合物を生成する混合部と、
を備えた、ものである。

【0008】

上記の技術によれば、液相の作動流体（駆動流）の運動量が効率的に気相の作動流体（吸引流）に輸送されうる。従って、エジェクタの性能が向上する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、本開示の一実施形態に係るヒートポンプ装置の構成図である。

【図2】図２は、図１に示すヒートポンプ装置におけるモリエル線図である。

【図3A】図３Ａは、図１に示すヒートポンプ装置に使用されたエジェクタの断面図である。

【図3B】図３Ｂは、図３Ａに示すエジェクタの霧化機構の拡大断面図である。

【図3C】図３Ｃは、図３Ａに示すエジェクタの霧化機構のIIIC-IIIC線に沿った断面図である。

【図3D】図３Ｄは、オリフィスに代えてスリットを採用した霧化機構の断面図である。

【図3E】図３Ｅは、二重の円環に沿って形成された複数のオリフィスを採用した霧化機構の断面図である。

【図4】図４は、噴流と衝突面との位置関係を示す概略図である。

【図5A】図５Ａは、変形例１に係るエジェクタの断面図である。

【図5B】図５Ｂは、図５Ａに示すエジェクタの霧化機構の拡大断面図である。

【図5C】図５Ｃは、図５Ａに示すエジェクタの霧化機構のVC-VC線に沿った断面図である。

【図5D】図５Ｄは、オリフィスに代えてスリットを採用した霧化機構の断面図である。

【図6】図６は、噴流と衝突面との位置関係を示す概略図である。

【図7A】図７Ａは、変形例２に係る霧化機構の拡大断面図である。

【図7B】図７Ｂは、変形例２に係る霧化機構のVIIB-VIIB線に沿った断面図である。

【図7C】図７Ｃは、変形例２に係る霧化機構のVIIC-VIIC線に沿った断面図である。

【図8A】図８Ａは、変形例３に係る霧化機構の拡大断面図である。

【図8B】図８Ｂは、変形例３に係る霧化機構のVIIIB-VIIIB線に沿った断面図である。

【図8C】図８Ｃは、オリフィスに代えてスリットを採用した霧化機構の断面図である。

【図9】図９は、本開示の他の実施形態に係るヒートポンプ装置の構成図である。

【図10】図１０は、従来の冷凍サイクル装置の構成図である。

【図11】図１１は、図１０の冷凍サイクル装置に使用されたエジェクタの断面図である。

【図12】図１２は、従来の別の冷凍サイクル装置の構成図である。

【図13】図１３は、図１２に示す冷凍サイクル装置におけるモリエル線図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

（本開示の基礎となった知見）
駆動流が気体又は大きいボイド率を有する二相流であり、吸引流が気体である場合、駆動流と吸引流とを混合させるだけで駆動流と吸引流との間で運動量が効率的に輸送されうる。しかし、駆動流が液体であり、吸引流が気体である場合、速度の緩和時間（駆動流の速度と吸引流の速度とが概ね等しくなるまでの時間）が大きいため、駆動流から吸引流への運動量の輸送が進行しにくい。その結果、エジェクタの高効率な駆動を期待できない。

【0011】

駆動流が液体であり、吸引流が気体である場合、エジェクタの混合室は二相流で満たされる。駆動流から吸引流への運動量の輸送の主要因は、粘性抵抗などに起因する抗力である。気体で満たされた混合室に液体を噴射すると、分散相が液滴、連続相が気体の気液二相の噴霧流が形成される。分散相と連続相とが相対速度を有する二相流において、運動量の輸送は、液滴の運動方程式に支配される。液滴の運動方程式によれば、液滴と気体との間の接触面積が大きければ大きいほど、運動量の輸送が短時間で進行しうる。すなわち、エジェクタの内壁面への液滴の付着、二相流の圧力損失などを考慮すると、液滴の合計の表面積が大きければ大きいほど（個々の液滴の直径が小さければ小さいほど）、運動量の輸送が効率的に進行しうる。

【0012】

上記の知見に基づき、本発明者らは、駆動流を積極的に霧化させることによって、混合室に微細噴霧流を供給することに着目した。
すなわち、本開示の第１態様にかかるエジェクタは、
液相の作動流体が供給される第１ノズルと、
気相の作動流体が吸い込まれる第２ノズルと、
前記第１ノズルの先端部に配置され、前記液相の作動流体を液相状態のまま霧化させる霧化機構と、
前記霧化機構で生成された霧状の作動流体と前記第２ノズルに吸い込まれた前記気相の作動流体とを混合して流体混合物を生成する混合部と、
を備えた、ものである。

【0013】

第１態様によれば、液相の作動流体が霧化機構によって霧化され、混合部に供給される。混合部において、霧状の作動流体が気相の作動流体に混合され、流体混合物が生成される。この流体混合物は、微細噴霧流の形態を有する。液相の作動流体を霧化することによって、液相の作動流体と気相の作動流体との間の接触面積が増加する。従って、第１態様のエジェクタでは、液相の作動流体（駆動流）の運動量が効率的に気相の作動流体（吸引流）に輸送され、圧力が上昇しうる。すなわち、本開示によれば、優れた性能を有するエジェクタを提供できる。

【0014】

第２態様において、例えば、第１態様にかかるエジェクタの前記霧化機構は、（ａ）前記液相の作動流体の噴流を生成する噴射部と、（ｂ）前記噴射部からの前記噴流を衝突させる衝突面とを含み、前記噴流の進行方向に対して前記衝突面が傾斜していてもよい。第２態様によれば、噴流の進行方向に対して衝突面が傾斜しているので、衝突面は傾斜角度に応じた抗力を噴流から受ける。つまり、衝突面を傾斜させることによって、液相の作動流体の運動量の損失の発生を抑制することができる。

【0015】

第３態様において、例えば、第２態様にかかるエジェクタの前記噴射部により生成された前記噴流は、前記衝突面と全体的に衝突してもよい。換言すると、第２態様にかかるエジェクタの前記噴流が全体的に前記衝突面に衝突するように、前記噴射部と前記衝突面との位置関係が定められていてもよい。換言すると、第２態様にかかるエジェクタの前記衝突面は、前記衝突面に前記噴射部の径を投影した場合の投影領域全体と重畳する大きさを有していてもよい。第３態様によれば、噴流を効率的に微細化することができるので、エジェクタの能力を最大限に引き出せる。

【0016】

第４態様において、例えば、第２又は第３態様にかかるエジェクタの前記噴射部は、複数のオリフィスを含んでいてもよい。オリフィスから作動流体を噴射させることによって、十分な運動量を持った噴流を衝突面に衝突させることができる。

【0017】

第５態様において、例えば、第４態様にかかるエジェクタの前記複数のオリフィスは、前記第１ノズルの中心軸の周囲に設けられ、且つ、それぞれ、前記中心軸と平行な方向に延びていてもよい。第５態様によれば、霧化した作動流体を混合部に均一に供給できる。また、オリフィスから作動流体を噴射させることによって、十分な運動量を持った噴流を衝突面に衝突させることができる。複数のオリフィスを使用することによって、作動流体の流量を十分に確保できる。

【0018】

第６態様において、例えば、第４態様にかかるエジェクタの前記複数のオリフィスは、前記第１ノズルの中心軸の周囲に設けられ、且つ、それぞれ、前記第１ノズルの前記中心軸に対して傾いた方向に延びており、前記衝突面は、前記複数のオリフィスが設けられた位置よりも前記第１ノズルの前記中心軸から離れた位置で前記第１ノズルの前記中心軸を包囲している円筒面であってもよい。

【0019】

第７態様において、例えば、第４態様〜第６態様にかかるエジェクタの前記複数のオリフィスは、前記第１ノズルの中心軸をそれぞれ仮想的に包囲する二重の円環に沿って形成されていてもよい。第７態様によれば、作動流体の流量を十分に確保できる。また、第１ノズルの中心軸の近くの位置にあるオリフィスで生成された噴流と、第１ノズルの中心軸から離れた位置にあるオリフィスで生成された噴流との衝突によって作動流体の微細化を促進できる可能性がある

【0020】

第８態様において、例えば、第４態様〜第７態様にかかるエジェクタの前記複数のオリフィスは、それぞれの断面積が前記作動流体の流れ方向において一定であってもよい。第８態様によれば、オリフィスを通過する際に作動流体が液相から気液二相に変化しにくい。

【0021】

第９態様において、例えば、第２又は第３態様にかかるエジェクタの前記噴射部は、スリットを含んでいてもよい。スリットから作動流体を噴射させることによって、十分な運動量を持った噴流を衝突面に衝突させることができる。

【0022】

第１０態様において、例えば、第９態様にかかるエジェクタの前記スリットは、前記第１ノズルの中心軸の周囲に設けられ、且つ、前記第１ノズルの前記中心軸と平行な方向に延びていてもよい。第１０態様によれば、霧化した作動流体を混合部に均一に供給できる。また、スリットから作動流体を噴射させることによって、十分な運動量を持った噴流を衝突面に衝突させることができる。

【0023】

第１１態様において、例えば、第９態様にかかるエジェクタの前記スリットは、前記第１ノズルの中心軸の周囲に設けられ、且つ、前記第１ノズルの前記中心軸に対して傾いた方向に延びており、前記衝突面は、前記スリットが設けられた位置よりも前記第１ノズルの前記中心軸から離れた位置で前記第１ノズルの前記中心軸を包囲している円筒面であってもよい。第１１態様によれば、霧化した作動流体を混合部に均一に供給できる。また、スリットから作動流体を噴射させることによって、十分な運動量を持った噴流を衝突面に衝突させることができる。

【0024】

第１２態様において、例えば、第９態様〜第１１態様のいずれか１つにかかるエジェクタの前記スリットは、前記第１ノズルの中心軸をそれぞれ仮想的に包囲する二重の円環に沿って形成されていてもよい。第１２態様によれば、作動流体の流量を十分に確保できる。また、第１ノズルの中心軸の近くの位置にあるスリットで生成された噴流と、第１ノズルの中心軸から離れた位置にあるスリットで生成された噴流との衝突によって作動流体の微細化を促進できる可能性がある。

【0025】

第１３態様において、例えば、第９態様〜第１２態様のいずれか１つにかかるエジェクタの前記スリットは、断面積が前記作動流体の流れ方向において一定であってもよい。第１３態様によれば、スリットを通過する際に作動流体が液相から気液二相に変化しにくい。

【0026】

第１４態様において、例えば、第２態様〜第１３態様のいずれか１つにかかるエジェクタの前記衝突面は前記噴射部と前記混合部の内壁面との間に設けられ、前記噴射部から噴射され前記衝突面に衝突した噴流を前記内壁面に向けてもよい。第１４態様によれば、噴流が混合部の内壁面に直接衝突することに基づく噴流の運動量の損失が発生することを回避できる。

【0027】

第１５態様において、例えば、第１態様〜第１４態様のいずれか１つにかかるエジェクタの前記霧化機構は、１流体方式の霧化機構であってもよい。１流体方式の霧化機構の構造は簡潔である。そのため、１流体方式の霧化機構は、２流体方式の霧化機構よりも低コストである。

【0028】

第１６態様において、例えば、第１態様〜第１５態様のいずれか１つにかかるエジェクタの前記流体混合物を外部に吐出させる吐出部をさらに備え、前記吐出部は、前記流体混合物を減速することによって静圧を回復させるディフューザ部を有していてもよい。ディフューザ部において、流体混合物の速度が減らされ、これにより、流体混合物の静圧が回復する。

【0029】

本開示の第１７態様にかかるヒートポンプ装置は、
冷媒蒸気を圧縮する圧縮機と、
冷媒液が流れる熱交換器と、
前記圧縮機で圧縮された前記冷媒蒸気と、前記熱交換器から流出した前記冷媒液とを用いて冷媒混合物を生成する、第１態様〜第１６態様のいずれか１つに記載のエジェクタと、
前記エジェクタから前記冷媒混合物を受け取り、前記冷媒混合物から前記冷媒液を抽出する抽出器と、
前記抽出器から前記熱交換器を経由して前記エジェクタに至る液経路と、
前記冷媒液を貯留し、前記冷媒液を蒸発させることによって前記圧縮機で圧縮されるべき前記冷媒蒸気を生成する蒸発器と、
を備えた、ものである。

【0030】

第１７態様によれば、エジェクタに供給された冷媒液を駆動流として利用し、圧縮機からの冷媒蒸気をエジェクタに吸入させる。エジェクタは、冷媒液と冷媒蒸気とを用いて冷媒混合物を生成する。圧縮機が担うべき仕事を減らせるので、圧縮機での圧縮比を大幅に削減しつつ、従来と比較して同等又はそれ以上のヒートポンプ装置の効率を達成できる。また、ヒートポンプ装置を小型化することも可能となる。

【0031】

第１８態様において、例えば、第１７態様にかかるヒートポンプ装置の前記エジェクタから吐出された前記冷媒混合物の圧力は、前記エジェクタに吸い込まれる前記冷媒蒸気の圧力より高く、前記エジェクタに供給される前記冷媒液の圧力より低くてもよい。第１８態様によれば、冷媒の圧力を効率的に上げることができる。

【0032】

第１９態様において、例えば、第１７又は第１８態様にかかるヒートポンプ装置の前記冷媒は、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒であってもよい。上記第１態様〜第１６態様のいずれか１のエジェクタを用いることで、前記エジェクタの中で液相の作動流体を霧化することによって、液相の作動流体と気相の作動流体との間の接触面積を増加させる。これにより、液相の作動流体（駆動流）の運動量が効率的に気相の作動流体（吸引流）に輸送され、前記エジェクタの中の圧力が上昇しうる。そのため、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒、例えば、水を主成分とする冷媒を用いる場合であっても、ヒートポンプ装置の効率を上げることができる。

【0033】

第２０態様において、例えば、第１７態様〜第１９態様のいずれか１つにかかるヒートポンプ装置の前記冷媒は、主成分として水を含んでいてもよい。本開示の第２０態様は、第１７〜第１９態様のいずれか１つに加え、例えば、前記冷媒は、主成分として水を含む。主成分が水の冷媒は、環境に対する負荷が小さい。

【0034】

本開示の第２１態様にかかるエジェクタは、
液相の作動流体が供給される第１ノズルと、
気相の作動流体が吸い込まれる第２ノズルと、
前記第１ノズルに供給された前記液相の作動流体と前記第２ノズルに吸い込まれた前記気相の作動流体とを混合して流体混合物を生成する混合部と、
（i）前記第１ノズルと前記混合部とを連通しているオリフィス又はスリットを有する噴射部と、
（ii）前記液相の作動流体が霧化されて前記混合部に供給されるように前記噴射部で生成された噴流を衝突させるべき衝突面とを有し、前記噴流の進行方向に対して前記衝突面が傾斜している、前記第１ノズルの先端部に配置された霧化機構と、
を備えた、ものである。

【0035】

第２１態様によれば、第１態様及び第２態様と同じ効果が得られる。

【0036】

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本開示は以下の実施形態に限定されない。

【0037】

図１に示すように、本実施形態のヒートポンプ装置２００（冷凍サイクル装置）は、第１熱交換ユニット１０、第２熱交換ユニット２０、圧縮機３１及び蒸気経路３２を備えている。第１熱交換ユニット１０及び第２熱交換ユニット２０は、それぞれ、放熱側回路及び吸熱側回路を形成している。第２熱交換ユニット２０で生成された冷媒蒸気が圧縮機３１及び蒸気経路３２を経由して第１熱交換ユニット１０に供給される。

【0038】

ヒートポンプ装置２００には、常温（日本工業規格：２０℃±１５℃／JIS Z8703）での飽和蒸気圧が負圧（絶対圧で大気圧よりも低い圧力）の冷媒が充填されている。そのような冷媒としては、水、アルコール又はエーテルを主成分として含む冷媒が挙げられる。ヒートポンプ装置２００の運転時において、ヒートポンプ装置２００の内部の圧力は大気圧よりも低い。圧縮機３１の入口の圧力は、例えば、０．５〜５ｋＰａＡの範囲にある。圧縮機３１の出口の圧力は、例えば、５〜１５ｋＰａＡの範囲にある。冷媒として、凍結防止などの理由から、水を主成分として含み、エチレングリコール、ナイブライン、無機塩類などが質量％に換算して１０〜４０％混合された冷媒を用いることもできる。「主成分」とは、質量比で最も多く含まれた成分を意味する。

【0039】

第１熱交換ユニット１０は、エジェクタ１１、第１抽出器１２、第１ポンプ１３及び第１熱交換器１４を備えている。エジェクタ１１、第１抽出器１２、第１ポンプ１３及び第１熱交換器１４が配管１５ａ〜１５ｄによってこの順番で環状に接続されている。

【0040】

エジェクタ１１は、配管１５ｄによって第１熱交換器１４に接続され、蒸気経路３２によって圧縮機３１に接続されている。エジェクタ１１には、第１熱交換器１４から流出した冷媒液が駆動流として供給され、圧縮機３１で圧縮された冷媒蒸気が吸引流として供給される。エジェクタ１１は、クオリティ（乾き度）の小さい冷媒混合物を生成し、第１抽出器１２に供給する。冷媒混合物は、液相状態又はクオリティの非常に小さい気液二相状態の冷媒である。

【0041】

第１抽出器１２は、エジェクタ１１から冷媒混合物を受け取り、冷媒混合物から冷媒液を抽出する。つまり、第１抽出器１２は、冷媒液と冷媒蒸気とを分離する気液分離器としての役割を担っている。第１抽出器１２からは基本的に冷媒液のみが取り出される。第１抽出器１２は、例えば、断熱性を有する耐圧容器によって形成されている。ただし、冷媒液を抽出できる限り、第１抽出器１２の構造は特に限定されない。配管１５ｂ〜１５ｄは、第１抽出器１２から第１熱交換器１４を経由してエジェクタ１１に至る液経路１５を形成している。第１ポンプ１３は、第１抽出器１２の液出口と第１熱交換器１４の入口との間において液経路１５に設けられている。第１ポンプ１３によって、第１抽出器１２に貯留された冷媒液が第１熱交換器１４に圧送される。第１ポンプ１３の吐出圧力は大気圧よりも低い。第１ポンプ１３は、当該第１ポンプ１３の吸入口から第１抽出器１２の中の冷媒液の液面までの高さを考慮に入れた有効吸込ヘッドが必要吸込ヘッド（required NPSH）よりも大きくなるような位置に配置されている。第１ポンプ１３は、第１熱交換器１４の出口とエジェクタ１１の液入口との間に配置されていてもよい。

【0042】

第１熱交換器１４は、フィンチューブ熱交換器、シェルチューブ熱交換器などの公知の熱交換器によって形成されている。ヒートポンプ装置２００が室内の冷房を行う空気調和装置である場合、第１熱交換器１４は室外に配置され、室外の空気を冷媒液によって加熱する。

【0043】

第２熱交換ユニット２０は、蒸発器２１、ポンプ２２（第３ポンプ）及び第２熱交換器２３を有する。蒸発器２１は、冷媒液を貯留し、冷媒液を蒸発させることによって圧縮機３１で圧縮されるべき冷媒蒸気を生成する。蒸発器２１、ポンプ２２及び第２熱交換器２３が配管２４ａ〜２４ｃによって環状に接続されている。蒸発器２１は、例えば、断熱性を有する耐圧容器によって形成されている。配管２４ａ〜２４ｃは、蒸発器２１に貯留された冷媒液を第２熱交換器２３を経由して循環させる循環路２４を形成している。ポンプ２２は、蒸発器２１の液出口と第２熱交換器２３の入口との間において循環路２４に設けられている。ポンプ２２によって、蒸発器２１に貯留された冷媒液が第２熱交換器２３に圧送される。ポンプ２２の吐出圧力は大気圧よりも低い。ポンプ２２は、当該ポンプ２２の吸入口から蒸発器２１の中の冷媒液の液面までの高さが必要吸込ヘッド（required NPSH）よりも大きくなるような位置に配置されている。

【0044】

第２熱交換器２３は、フィンチューブ熱交換器、シェルチューブ熱交換器などの公知の熱交換器によって形成されている。ヒートポンプ装置２００が室内の冷房を行う空気調和装置である場合、第２熱交換器２３は室内に配置され、室内の空気を冷媒液によって冷却する。

【0045】

本実施形態において、蒸発器２１は、循環路２４を循環することによって加熱された冷媒液を内部で直接的に蒸発させる熱交換器である。蒸発器２１に貯留された冷媒液は、循環路２４を循環する冷媒液に直接接触する。つまり、蒸発器２１の中の冷媒液の一部が第２熱交換器２３で加熱されて、飽和状態の冷媒液を加熱する熱源として使用される。配管２４ａの上流端は、蒸発器２１の下部に接続されていることが望ましい。配管２４ｃの下流端は、蒸発器２１の中間部に接続されていることが望ましい。なお、第２熱交換ユニット２０は、蒸発器２１に貯留された冷媒液が循環路２４を循環する他の冷媒液と混ざらないように構成されていてもよい。例えば、蒸発器２１がシェルチューブ熱交換器のような熱交換構造を有している場合、循環路２４を循環する熱媒体によって蒸発器２１に貯留された冷媒液を加熱し、蒸発させることができる。第２熱交換器２３には、蒸発器２１に貯留された冷媒液を加熱するための熱媒体が流れる。

【0046】

蒸気経路３２は、上流部分３２ａ及び下流部分３２ｂを有する。蒸気経路３２には、圧縮機３２が配置されている。蒸気経路３２の上流部分３２ａによって蒸発器２１の上部が圧縮機３２の吸入口に接続されている。蒸気経路３２の下流部分３２ｂによって圧縮機３２の吐出口がエジェクタ１１の第２ノズル４１に接続されている。圧縮機３２は、遠心式圧縮機又は容積式圧縮機である。蒸気経路３２には、複数の圧縮機が設けられていてもよい。圧縮機３２は、上流部分３２ａを通じて第２熱交換ユニット２０の蒸発器２１から冷媒蒸気を吸い込み、圧縮する。圧縮された冷媒蒸気は、下流部分３２ｂを通じてエジェクタ１１に供給される。

【0047】

本実施形態によれば、エジェクタ１１において冷媒の温度及び圧力が上げられる。圧縮機３１が担うべき仕事を減らせるので、圧縮機３１での圧縮比を大幅に削減しつつ、従来と比較して同等又はそれ以上のヒートポンプ装置２００の効率を達成できる。また、ヒートポンプ装置２００を小型化することも可能となる。

【0048】

ヒートポンプ装置２００は、冷房専用の空気調和装置に限定されない。第１熱交換器１４が吸熱用熱交換器として機能し、第２熱交換器２３が放熱用熱交換器として機能するように、四方弁、三方弁などの流路切替部が設けられていてもよい。このようにすれば、冷房運転と暖房運転とを切り替え可能な空気調和装置が得られる。また、ヒートポンプ装置２００は、空気調和装置に限定されず、チラー、蓄熱装置などの他の装置であってもよい。第１熱交換器１４の加熱対象及び第２熱交換器２３の冷却対象は、空気以外の気体又は液体であってもよい。

【0049】

また、第１熱交換ユニット１０から第２熱交換ユニット２０に冷媒を戻すための戻し経路３３が設けられていてもよい。戻し経路３３には、キャピラリ、膨張弁などの膨張機構３４が設けられている。本実施形態では、第１抽出器１２に貯留された冷媒を蒸発器２１に転送できるように、戻し経路３３によって第１抽出器１２と蒸発器２１とが接続されている。典型的には、第１抽出器１２の下部と蒸発器２１の下部とが戻し経路３３によって接続される。冷媒液は、膨張機構３４において減圧されながら、戻し経路３３を通って第１抽出器１２から蒸発器２１に戻される。

【0050】

なお、戻し経路３３は、第１熱交換ユニット１０のどの位置から分岐していてもよい。例えば、戻し経路３３は、エジェクタ１１と第１抽出器１２とを接続している配管１５ａから分岐していてもよいし、第１抽出器１２の上部から分岐していてもよい。さらに、第１熱交換ユニット１０から第２熱交換ユニット２０に冷媒を戻すことは必須ではない。例えば、第１熱交換ユニット１０は、余分な冷媒を適宜排出できるように構成されていてもよく、第２熱交換ユニット２０は、冷媒を適宜補充できるように構成されていてもよい。

【0051】

次に、ヒートポンプ装置２００の運転について説明する。

【0052】

図１２及び図１３は、それぞれ、エジェクタを有さない従来の冷凍サイクル装置１００及びその冷凍サイクル装置１００におけるモリエル線図である。図１２に示すように、冷凍サイクル装置１００は、蒸発器１１０、凝縮器１２０、第１循環路１５０及び第２循環路１６０を備えている。蒸発器１１０の上部は、第１連通路１３０によって凝縮器１２０の上部に接続されている。第１連通路１３０には、圧縮機１３１及び１３２が設けられている。蒸発器１１０の下部は、第２連通路１４０によって凝縮器１２０の下部に接続されている。図１３に示すように、蒸発器１１０に貯留された冷媒液は、蒸発器１１０の内部で蒸発して冷媒蒸気に変化する（点ａ→点ｂ）。冷媒蒸気は、圧縮機１３１及び１３２において圧縮される（点ｂ→点ｃ）。簡略のため、圧縮機１３１と圧縮機１３２との間に設けられた中間冷却器を無視する。圧縮された冷媒蒸気は、凝縮器１２０において冷却されて凝縮する（点ｃ→点ｄ）。凝縮器１２０に貯留された冷媒液は、ポンプによって熱交換器に圧送される（点ｄ→点ｅ）。冷媒液は、熱交換器において冷却される（点ｅ→点ｆ）。冷却された冷媒液は、凝縮器１２０に戻される（点ｆ→点ｄ）。冷媒液の一部は、第２連通路１４０を通じて蒸発器１１０に戻される（点ｄ→点ａ）。

【0053】

図２は、本実施形態のヒートポンプ装置２００におけるモリエル線図である。破線は、図１３で説明したサイクルの一部を表している。蒸発器２１に貯留された冷媒液は、蒸発器２１の内部で蒸発して冷媒蒸気に変化する（点Ａ→点Ｂ）。冷媒蒸気は、圧縮機３１において圧縮される（点Ｂ→点Ｃ）。圧縮された冷媒蒸気は、エジェクタ１１に吸い込まれ、第１熱交換器１４から流出した冷媒液と混合される（点Ｃ→点Ｄ）。冷媒蒸気と冷媒液との冷媒混合物は、エジェクタ１１において昇温及び昇圧される（点Ｄ→点Ｅ）。詳細には、エジェクタ１１において冷媒蒸気が熱を放出しながら凝縮する。従って、冷媒混合物の温度も上昇する。冷媒混合物は、液相状態又は気液二相状態の冷媒である。エジェクタ１１の出口の冷媒の状態は、ヒートポンプ装置２００の運転条件に応じて変化する。エジェクタ１１の出口で冷媒が完全に液相状態であること、言い換えれば、冷媒のクオリティがゼロであることが理想的である。冷媒混合物は、エジェクタ１１から第１抽出器１２に送られ、冷媒液と冷媒蒸気とに分離される。第１抽出器１２に貯留された冷媒液は、第１ポンプ１３によって第１熱交換器１４に圧送される（点Ｅ→点Ｆ）。冷媒液は、第１熱交換器１４において冷却される（点Ｆ→点Ｇ）。第１熱交換器１４は、第１ポンプ１３によって昇圧された冷媒液を過冷却域まで冷却する。冷却された冷媒液は、エジェクタ１１に駆動流として供給される（点Ｇ→点Ｄ）。冷媒液の一部は、第１抽出器１２又は配管１５ａから蒸発器２１へと戻されてもよい（点Ｅ→点Ａ）。

【0054】

また、点Ｄ、点Ｅ及び点Ｇから理解できるように、エジェクタ１１から吐出された冷媒混合物の圧力は、エジェクタ１１に吸い込まれる冷媒蒸気の圧力より高く、エジェクタ１１に供給される冷媒液の圧力より低い。言い換えれば、エジェクタ１１の出口における圧力は、エジェクタ１１の第２ノズル４１への入口における圧力よりも高く、エジェクタ１１の第１ノズル４０への入口における圧力よりも低い。このような圧力関係により、冷媒の圧力を効率的に上げることができる。本実施形態によれば、エジェクタ１１を凝縮器として機能させることができる。

【0055】

エジェクタ１１の出口における圧力は、例えば、６〜１０００ｋＰａＡの範囲にある。エジェクタ１１の第２ノズル４１への入口における圧力は、例えば、５〜１５ｋＰａＡの範囲にある。エジェクタ１１の第１ノズル４０への入口における圧力は、例えば、３００〜１５００ｋＰａＡの範囲にある。

【0056】

図２と図１３とを比較すると理解できるように、図２のサイクルにおいて圧縮機３１が担うべき仕事は、図１３のサイクルにおいて圧縮機１３１及び１３２が担うべき仕事よりも小さい。つまり、本実施形態によれば、圧縮機３１での圧縮比を減らせる。例えば、冷媒として水を使用した場合、エジェクタ１１に数百ｋＰａ〜数ＭＰａの範囲の圧力を有する冷媒液を駆動流として供給することによって、圧縮機３１での圧力比を約３０％減らせる。

【0057】

図２のサイクルでは、第１熱交換器１４での放熱量が増加しているように見える。しかし、冷媒液の循環量が減少しているので、図２のサイクルと図１３のサイクルとの間で放熱量に大きな差は無い。また、図２のサイクルでは、第１ポンプ１３の仕事が増加しているが、圧縮機３１の仕事の減少を考慮すれば、ヒートポンプ装置２００の効率（ＣＯＰ：coefficient of performance）は、従来の冷凍サイクル装置１００の効率と同等かそれを上回る。

【0058】

また、本実施形態のヒートポンプ装置２００によれば、より高温の冷媒液を容易に生成することができる。つまり、気候が比較的温暖な地域から、砂漠地域、熱帯地域など外気温の非常に高い地域まで、幅広い地域でヒートポンプ装置２００を冷房用途で使用できる。また、ヒートポンプ装置２００を暖房用途で使用する場合にも次のような効果が得られる。すなわち、圧縮機３１のモータに使用された永久磁石の減磁を防止するために、圧縮機３１の吐出冷媒の温度は制限される可能性がある。しかし、本実施形態によれば、エジェクタ１１によってより高温の冷媒液を生成できるので、圧縮機３１の吐出冷媒の温度を抑制しつつ、高温暖房が可能となる。また、暖房用途だけでなく、ヒートポンプ装置２００を給湯用途に使用する場合においても、より高温の給湯に対応することが可能となる。

【0059】

なお、蒸発器２１に貯留された冷媒液は、ポンプ２２によって第２熱交換器２３に圧送され、第２熱交換器２３において室内空気などの熱媒体から吸熱した後、蒸発器２１に戻る。蒸発器２１の冷媒液は、減圧下での沸騰により蒸発し、蒸発した冷媒蒸気が圧縮機３１に吸入される。

【0060】

本実施形態のヒートポンプ装置２００では、常温での飽和蒸気圧が負圧の冷媒が使用されている。水を主成分として含む冷媒を例に挙げると、冷媒蒸気の体積が冷媒液の体積の約１０万倍と大きい。そのため、液経路１５に冷媒蒸気が入ると、非常に大きいポンプ動力が必要となる。

【0061】

本実施形態によれば、エジェクタ１１で生成された冷媒混合物が第１抽出部１２に送られ、第１抽出部１２において冷媒混合物から冷媒液が抽出される。第１抽出器１２の液出口と第１熱交換器１４の入口との間において液経路１５に第１ポンプ１３が設けられている。第１抽出器１２で抽出された冷媒液が第１ポンプ１３によって第１熱交換器１４に送られる。このような構成によれば、第１抽出器１２から第１熱交換器１４を経てエジェクタ１１に至る液経路１５の中を冷媒液で満たし、第１ポンプ１３によって冷媒液を第１熱交換器１４及びエジェクタ１１に圧送し続けることができる。言い換えれば、液経路１５に冷媒蒸気が入ることを防止できる。

【0062】

次に、エジェクタ１１の構造を詳細に説明する。図２のモリエル線図から理解できるように、エジェクタ１１は、冷媒の圧力を上昇させる機能だけでなく、冷媒を凝縮させる機能を有していることが望ましい。以下に説明するエジェクタ１１の詳細な構造は、冷媒液と冷媒蒸気との間の運動量の輸送を効率的に進行させ、これにより、エジェクタ１１の上記の機能の向上に寄与するものである。

【0063】

図３Ａに示すように、エジェクタ１１は、第１ノズル４０、第２ノズル４１、混合部４２、ディフューザ部４３及び霧化機構４４を有する。第１ノズル４０は、エジェクタ１１の中心部に配置された筒状の部分である。第１ノズル４０には、駆動流としての冷媒液（液相の作動流体）が供給される。第２ノズル４１は、第１ノズル４０の周りに環状の空間を形成している部分である。第２ノズル４１に冷媒蒸気（気相の作動流体）が吸い込まれる。混合部４２は、第１ノズル４０及び第２ノズル４１の両方に連通している筒状の部分である。霧化機構４４は、混合部４２に面するように第１ノズル４０の先端部に配置されている。霧化機構４４は、冷媒液を液相状態のまま霧化させる機能を有する。霧化機構４４で生成された霧状の冷媒と第２ノズル４１に吸い込まれた冷媒蒸気とが混合部４２で混合され、冷媒混合物（流体混合物）が生成される。ディフューザ部４３は、混合部４２に連通している筒状の部分であって、冷媒混合物をエジェクタ１１の外部に吐出させる開口部を有する。ディフューザ部４３の内径は、上流側から下流側に向かって徐々に拡大している。ディフューザ部４３において、冷媒混合物の速度が減らされ、これにより、冷媒混合物の静圧が回復する。第１ノズル４０、第２ノズル４１、混合部４２、ディフューザ部４３及び霧化機構４４は、共通の中心軸Ｏを持っている。

【0064】

図３Ｂに示すように、霧化機構４４は、噴射部５１及び衝突面形成部５３を有する。噴射部５１は、第１ノズル４０の先端部に取り付けられた部分である。噴射部５１には、複数のオリフィス５１ｈが形成されている。複数のオリフィス５１ｈは、第１ノズル４０と混合部４２とを連通するように、筒状の噴射部５１の底部を貫通している。これらのオリフィス５１ｈを通じて、冷媒液が第１ノズル４０から衝突面形成部５３に向けて噴射される。すなわち、噴射部５１は、冷媒液の噴流を生成することができる。衝突面形成部５３は、噴射部５１からの噴流を衝突させるべき衝突面５６ｐを有する部分である。本実施形態において、衝突面形成部５３は、軸部５４及び裾部５６によって構成されている。軸部５４は、噴射部５１に一体に形成された部分であり、円柱の形状を有している。裾部５６は、軸部５４の先端部に設けられた末広の部分である。裾部５６によって衝突面５６ｐが形成されている。このような構成によれば、冷媒蒸気の通り道を遮ることなく、混合部４２の内部に衝突面５６ｐを配置することができる。衝突面５６ｐは、噴流の進行方向に対して傾斜している。衝突面５６ｐに衝突した噴流は、衝突の衝撃によって微細化されるとともに、衝突面５６ｐの傾斜方向に向きを変える。微細化された冷媒液と冷媒蒸気とが混合部４２において混合される。噴流の進行方向に対して衝突面５６ｐが傾斜しているので、衝突面５６ｐは傾斜角度に応じた抗力を噴流から受ける。つまり、衝突面５６ｐを傾斜させることによって、冷媒液の運動量の損失の発生を抑制することができる。本実施形態では、衝突面５６ｐは、円錐の形状を有している。

【0065】

図３Ｂ及び図３Ｃに示すように、本実施形態において、複数のオリフィス５１ｈは、第１ノズル４０の中心軸Ｏを包囲するように、中心軸Ｏの周囲に等間隔で設けられている。複数のオリフィス５１ｈは、それぞれ、中心軸Ｏと平行な方向に延びている。このような構成によれば、霧化した冷媒液を混合部４２に均一に供給できる。また、オリフィス５１ｈから冷媒液を噴射させることによって、十分な運動量を持った噴流を衝突面５６ｐに衝突させることができる。複数のオリフィス５１ｈを使用することによって、冷媒液の流量を十分に確保できる。

【0066】

図３Ｄに示すように、霧化機構４４の噴射部５１には、オリフィス５１ｈに代えて、少なくとも１つのスリット５１ｓが形成されていてもよい。図３Ｄに示す例では、複数のスリット５１ｓ（詳細には、２つのスリット５１ｓ）が噴射部５１に形成されている。複数のスリット５１ｓは、第１ノズル４０の中心軸Ｏを包囲するように、中心軸Ｏの周囲に等間隔で設けられている。スリット５１ｓは、平面視で円弧の形状を有している。複数のスリット５１ｓは、それぞれ、中心軸Ｏと平行な方向に延びている。スリット５１ｓもオリフィス５１ｈと同じ働きをする。

【0067】

上記のように、オリフィス５１ｈをスリット５１ｓで置き換えることが可能である。さらに、オリフィス５１ｈとスリット５１ｓとが混在していてもよい。以下、本明細書において、オリフィスに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、スリットにも適用される。同様に、スリットに関する説明は、技術的に矛盾しない限り、オリフィスにも適用される。

【0068】

オリフィス５１ｈの断面形状、大きさ、数などは特に限定されない。十分な流量の冷媒液を通過させることができるように、オリフィス５１ｈの断面形状、大きさ、数が定められている。本実施形態では、長手方向に垂直なオリフィス５１ｈの断面形状は円形である。また、オリフィス５１ｈの断面積は、中心軸Ｏに平行な方向（冷媒液の流れ方向）において一定である。言い換えると、中心軸Ｏに平行な方向の上流側におけるオリフィス５１ｈの開口面積は、下流側におけるオリフィス５１ｈの開口面積に等しい。また、オリフィス５１ｈの断面形状も中心軸Ｏに平行な方向において一定である。従って、オリフィス５１ｈを通過する際に冷媒液が液相から気液二相に変化しにくい。オリフィス５１ｈの内径（スリット５１ｓの幅）は、例えば、５０〜５００μｍである。

【0069】

ただし、オリフィス５１ｈの内径が上流側から下流側に向かって僅かに拡大又は縮小していてもよい。オリフィス５１ｈを通過するときに冷媒が気液二相に変化することを十分に抑制できる限り、オリフィス５１ｈの内径は一定であるものと見なすことができる。

【0070】

図３Ｃに示す例では、複数のオリフィス５１ｈは、中心軸Ｏを仮想的に包囲する一重の円環に沿って形成されている。図３Ｄに示すように、スリット５１ｓも中心軸Ｏを仮想的に包囲する一重の円環に沿って円弧状に形成されている。図３Ｅに示すように、複数のオリフィス５１ｈ（又はスリット５１ｓ）は、中心軸Ｏをそれぞれ仮想的に包囲する二重の円環に沿って形成されていてもよい。このような構成によれば、冷媒液の流量を十分に確保できる。また、中心軸Ｏの近くの位置にあるオリフィス５１ｈで生成された噴流（内側の噴流）と中心軸Ｏから離れた位置にあるオリフィス５１ｈで生成された噴流（外側の噴流）との衝突によって冷媒液の微細化を促進できる可能性がある。内側の噴流のための衝突面５６ｐは、外側の噴流のための衝突面５６ｐに共用されていてもよい。また、内側の噴流及び外側の噴流のそれぞれに専用の衝突面が設けられていてもよい。

【0071】

中心軸Ｏの近くの位置にある複数のオリフィス５１ｈと中心軸Ｏから離れた位置にある複数のオリフィス５１ｈとが同心円状に配列していることは必須ではない。これらが同心円から外れた位置に形成されていてもよい。

【0072】

本実施形態において、霧化機構４４は、１流体方式の霧化機構である。「１流体方式」とは、当業者に知られているように、ポンプによって高められた冷媒液自身の圧力によって霧状の冷媒液を生成する方式を意味する。１流体方式の霧化機構の構造は簡潔である。そのため、１流体方式の霧化機構は、２流体方式の霧化機構よりも低コストである。

【0073】

霧化機構４４は、噴射部５１で生成された噴流が混合部４２の内壁面に直接衝突しないように構成されている。具体的に、本実施形態では、オリフィス５１ｈの中心軸が第１ノズル４０の中心軸Ｏに平行である。そのため、噴射部５１からの噴流は、混合部４２の内壁面に直接衝突し得ない。これにより、噴流が混合部４２の内壁面に直接衝突することに基づく噴流の運動量の損失が発生することを回避できる。もちろん、オリフィス５１ｈの中心軸が第１ノズル４０の中心軸Ｏに対して傾いていてもよい。衝突面５６ｐの位置、広さなどを適切に調整すれば、噴流が混合部４２の内壁面に直接衝突することを回避できる。

【0074】

図４に示すように、本実施形態では、噴射部５１からの噴流Ｊ１が全体的に衝突面５６ｐに衝突するように、噴射部５１と衝突面５６ｐとの位置関係が定められている。つまり、中心軸Ｏに垂直な方向（混合部４２の半径方向）において、噴流Ｊ１は、衝突面５６ｐの外縁５６ｅよりも内側（中心軸Ｏの近く）に位置している。このような位置関係によれば、噴流Ｊ１を効率的に微細化することができるので、エジェクタ１１の能力を最大限に引き出せる。その結果、サイクルの効率を最大限に高めることができる。噴流Ｊ１の一部が衝突面５６ｐから逸れている場合、その噴流Ｊ１の一部は微細化されずに混合部４２に放出される。その結果、冷媒液と冷媒蒸気との間の運動量の輸送の効率は低下する。

【0075】

噴射部５１から噴射された液柱状の冷媒液（噴流Ｊ１）は、レイリー・テイラー不安定性に起因する不安定状態となる。噴流Ｊ１が衝突面５６ｐに衝突することによって微細噴霧流が生成される。

【0076】

噴流Ｊ１の進行方向は、第１ノズル４０の中心軸Ｏに概ね平行である。噴流Ｊ１の進行方向と衝突面５６ｐとのなす角度θ１は、例えば、０°＜θ１＜９０°の関係を満たす。角度θ１がこのような範囲に調整されていると、衝突によって生成された噴霧流が狭角にて混合部４２に放出される。この場合、噴霧流が混合部４２の内壁面に衝突しにくいので、運動量の損失も発生しにくい。角度θ１は、言い換えると、中心軸Ｏに対する衝突面５６ｐの傾斜角度である。

【0077】

次に、図１に示すヒートポンプ装置２００におけるエジェクタ１１の働きを詳細に説明する。

【0078】

図１に示すように、第１ノズル４０は配管１５ｄによって第１熱交換器１４に接続されている。配管１５ｄを通じて、第１熱交換器１４から流出した過冷却状態の冷媒液が駆動流として第１ノズル４０に供給される。第２ノズル４１には蒸気経路３２が接続されている。第１ノズル４０及び霧化機構４４を通じて混合部４２に噴霧される冷媒液の温度は、第１熱交換器１４によって下げられている。そのため、霧化機構４４から冷媒液が噴霧されることによって、混合部４２の圧力が蒸気経路３２の圧力より低くなる。詳細には、混合部４２の圧力は、第１ノズル４０に供給される冷媒液の温度に対応した飽和圧力となる。その結果、蒸気経路３２を通じて、大気圧以下の圧力を有する冷媒蒸気が膨張及び加速しながら第２ノズル４１に連続的に吸い込まれる。霧化機構４４から加速しながら噴霧された冷媒液と、第２ノズル４１から膨張及び加速しながら噴射された冷媒蒸気は、混合部４２で混合される。そして、冷媒液と冷媒蒸気との間の温度差に起因する第１の凝縮と、冷媒液と冷媒蒸気との間のエネルギーの輸送及び冷媒液と冷媒蒸気との間の運動量の輸送に基づく昇圧効果に起因する第２の凝縮とによって、クオリティ（乾き度）の小さい冷媒混合物が生成される。この冷媒混合物のクオリティがゼロでない場合、冷媒混合物の流速が二相流の音速を超えることで急激な圧力上昇が起こり、さらに凝縮が促進される。生成した冷媒混合物は、液相状態又はクオリティの非常に小さい気液二相状態の冷媒である。その後、ディフューザ部４３は、冷媒混合物を減速することによって静圧を回復させる。このような構造のエジェクタ１１において、冷媒の温度及び圧力が上昇する。

【0079】

以下、エジェクタのいくつかの変形例について説明する。図３Ａ〜図３Ｂを参照して説明したエジェクタ１１に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、以下の変形例にも適用されうる。また、以下の変形例に関する説明は、技術的に矛盾しない限り、エジェクタ１１に適用されうるだけでなく、相互に適用されうる。

【0080】

（変形例１）
図５Ａに示すように、変形例１に係るエジェクタ６１は、先に説明したエジェクタ１１の霧化機構４４と異なる構造の霧化機構６４を備えている。ただし、冷媒液を霧化させるための原理は、霧化機構４４と霧化機構６４とで共通している。本変形例のエジェクタ６１の働きは、先に説明したエジェクタ１１の働きと同じである。霧化機構６４の構造を除き、エジェクタ６１の構造は、エジェクタ１１の構造と同じである。エジェクタ６１は、エジェクタ１１と同様に、ヒートポンプ装置２００（図１）に好適に使用されうる。

【0081】

図５Ａ及び図５Ｂに示すように、エジェクタ６１において、霧化機構６４は、混合部４２に面するように第１ノズル４０の先端部に配置されている。霧化機構６４は、噴射部７１及び衝突面形成部７３を有する。噴射部７１は、第１ノズル４０の先端部に取り付けられた部分である。噴射部７１には、複数のオリフィス７１ｈが形成されている。複数のオリフィス７１ｈは、第１ノズル４０と混合部４２とを連通するように、筒状の噴射部７１の底部を貫通している。これらのオリフィス７１ｈを通じて、冷媒液が第１ノズル４０から衝突面形成部７３に向けて噴射される。すなわち、噴射部７１は、冷媒液の噴流を生成することができる。衝突面形成部７３は、噴射部７１からの噴流を衝突させるべき衝突面７３ｐを有する部分である。衝突面形成部７３は、噴射部７１に一体に形成された筒状の部分である。筒状の衝突面形成部７３の内周面によって衝突面７３ｐが形成されている。衝突面７３ｐは、噴流の進行方向に対して傾斜している。衝突面７３ｐに衝突した噴流は、衝突の衝撃によって微細化されるとともに、衝突面７３ｐの傾斜方向に向きを変える。微細化された冷媒液と冷媒蒸気とが混合部４２において混合される。

【0082】

図５Ｂ及び図５Ｃに示すように、複数のオリフィス７１ｈは、第１ノズル４０の中心軸Ｏを包囲するように、中心軸Ｏの周囲に等間隔で設けられている。複数のオリフィス７１ｈは、それぞれ、中心軸Ｏに対して傾いた方向に延びている。衝突面７３ｐは、複数のオリフィス７１ｈが設けられた位置よりも中心軸Ｏから離れた位置で中心軸Ｏを包囲している円筒面である。衝突面形成部７３の中心軸は、第１ノズル４０の中心軸Ｏに一致している。このような構成によれば、霧化した冷媒液を混合部４２に均一に供給できる。また、複数のオリフィス７１ｈから冷媒液を噴射させることによって、十分な運動量を持った噴流を衝突面７３ｐに衝突させることができる。複数のオリフィス７１ｈを使用することによって、冷媒液の流量を十分に確保できる。なお、図５Ｂ及び図５Ｃにおいては、衝突面形成部７３は、衝突面７３ｐが中心軸Ｏに対して平行な方向に延びているが、中心軸Ｏに対して傾いた方向に延びていてもよい。

【0083】

図５Ｄに示すように、霧化機構６４の噴射部７１には、オリフィス７１ｈに代えて、少なくとも１つのスリット７１ｓが形成されていてもよい。図５Ｄに示す変形例では、複数のスリット７１ｓ（詳細には、２つのスリット７１ｓ）が噴射部７１に形成されている。複数のスリット７１ｓは、第１ノズル４０の中心軸Ｏを包囲するように、中心軸Ｏの周囲に等間隔で設けられている。スリット７１ｓは、平面視で円弧の形状を有している。複数のスリット７１ｓは、それぞれ、中心軸Ｏに対して傾いた方向に延びている。スリット７１ｓもオリフィス７１ｈと同じ働きをする。

【0084】

オリフィス７１ｈ及びスリット７１ｓが中心軸Ｏに対して傾いた方向に延びていることを除き、オリフィス７１ｈ及びスリット７１ｓの詳細な構造は、先に説明したオリフィス５１ｈ及びスリット５１ｓと同じである。

【0085】

本変形例においても、霧化機構６４は、噴射部７１で生成された噴流が混合部４２の内壁面に直接衝突しないように構成されている。具体的には、図６に示すように、噴射部７１からの噴流Ｊ２が全体的に衝突面７３ｐに衝突するように、噴射部７１と衝突面７３ｐとの位置関係が定められている。つまり、中心軸Ｏに平行な方向において、噴流Ｊ２は、衝突面７３ｐの下流端７３ｅよりも上流側に位置している。このような位置関係によれば、噴流Ｊ２を効率的に微細化することができるので、エジェクタ６１の能力を最大限に引き出せる。その結果、サイクルの効率を最大限に高めることができる。

【0086】

噴射部７１から噴射された液柱状の冷媒液（噴流Ｊ２）は、レイリー・テイラー不安定性に起因する不安定状態となる。噴流Ｊ２が衝突面７３ｐに衝突することによって微細噴霧流が生成される。

【0087】

噴流Ｊ２の進行方向は、第１ノズル４０の中心軸Ｏに対して傾斜している。噴流Ｊ２の進行方向と衝突面７３ｐとのなす角度θ２は、例えば、０°＜θ２＜９０°の関係を満たす。角度θ２がこのような範囲に調整されていると、噴霧流が狭角にて混合部４２に放出される。この場合、噴霧流が混合部４２の内壁面に衝突しにくいので、運動量の損失も発生しにくい。

【0088】

特に、本変形例によれば、衝突面７３ｐが第１ノズル４０の中心軸Ｏに平行である。この場合、衝突面７３ｐで生成された噴霧流が中心軸Ｏに概ね平行な方向に放出される。その結果、上記の効果を十分に得ることができる。なお、衝突面７３ｐと中心軸Ｏとのなす角度は０度に限定されない。衝突面７３ｐと中心軸Ｏとのなす角度は、例えば、０°よりも大きく９０°よりも小さい。つまり、衝突面形成部７３の内径は、下流側に向かって連続的に拡大していてもよい。

【0089】

（変形例２）
図７Ａ〜図７Ｃに示すように、変形例２に係る霧化機構８４は、噴射部７１及び衝突面形成部７３を有する。これらの構造は、変形例１で説明した通りである。噴射部７１には、スリット７２ｓが形成されている。第１ノズル４０の側から平面視したとき、スリット７２ｓは、複数の部分（円弧状の２つの部分）に分かれている（図７Ｂ）。混合部４２の側から平面視したとき、スリット７２ｓは、円環の形状を有する（図７Ｃ）。すなわち、スリット７２ｓの断面形状は、中心軸Ｏに平行な方向において変化している。このように、噴射部７１のスリット（又はオリフィス）の断面形状は、中心軸Ｏに平行な方向において変化していてもよい。また、噴射部７１のスリット（又はオリフィス）の断面積は、中心軸Ｏに平行な方向において変化していてもよい。このような構造は、図３Ａ〜図３Ｄを参照して説明したエジェクタ１１にも適用されうる。さらに、図５Ｄを参照して説明したように、中心軸Ｏに対して傾いた方向に延びている複数のスリット７１ｓが噴射部７１に形成されている場合、複数のスリット７１ｓのそれぞれの断面形状が、本変形例のように、中心軸Ｏに平行な方向において変化していてもよい。

【0090】

（変形例３）
図８Ａ及び図８Ｂに示すように、変形例３に係る霧化機構９４は、噴射部９１、衝突面形成部９２及び衝突面形成部９３を有する。噴射部９１は、第１ノズル４０の先端部に取り付けられた部分である。噴射部９１には、複数のオリフィス９１ｈ（第１オリフィス）及び複数のオリフィス９３ｈ（第２オリフィス）が形成されている。オリフィス９１ｈ及び９３ｈは、第１ノズル４０と混合部４２とを連通するように、筒状の噴射部９１の底部を貫通している。これらのオリフィス９１ｈ及び９３ｈを通じて、冷媒液が第１ノズル４０から衝突面形成部９２及び９３に向けて噴射される。すなわち、噴射部９１は、冷媒液の噴流を生成することができる。

【0091】

複数のオリフィス９１ｈは、第１ノズル４０の中心軸Ｏから相対的に遠い位置に形成されている。他の複数のオリフィス９３ｈは、中心軸Ｏから相対的に近い位置に形成されている。詳細には、オリフィス９１ｈ及び９３ｈは、中心軸Ｏをそれぞれ仮想的に包囲する二重の円環に沿って形成されている。このような構成によれば、冷媒液の流量を十分に確保できる。このような構成は、先に説明した霧化機構４４，６４及び８４にも採用されうる。

【0092】

本変形例の霧化機構９４には、複数の衝突面形成部９２及び９３が設けられている。衝突面形成部９２及び９３は、それぞれ、中心軸Ｏから相対的に遠い位置と中心軸Ｏから相対的に近い位置とに設けられている。衝突面形成部９２及び９３は、ともに、噴射部９１に一体に形成された筒状の部分である。衝突面形成部９２は、中心軸Ｏから遠い位置に形成された複数のオリフィス９１ｈに対応している。すなわち、衝突面形成部９２は、複数のオリフィス９１ｈからの噴流を衝突させるべき衝突面９２ｐを有する外側の部分である。筒状の衝突面形成部９２の内周面によって衝突面９２ｐが形成されている。他方、衝突面形成部９３は、中心軸Ｏから近い位置に形成された複数のオリフィス９３ｈに対応している。すなわち、衝突面形成部９３は、複数のオリフィス９３ｈからの噴流を衝突させるべき衝突面９３ｐを有する内側の部分である。筒状の衝突面形成部９３の内周面によって衝突面９３ｐが形成されている。衝突面９２ｐ及び９３ｐは、それぞれ、噴流の進行方向に対して傾斜している。衝突面９２ｐに衝突した噴流は、衝突の衝撃によって微細化されるとともに、衝突面９２ｐの傾斜方向に向きを変える。同様に、衝突面９３ｐに衝突した噴流は、衝突の衝撃によって微細化されるとともに、衝突面９３ｐの傾斜方向に向きを変える。微細化された冷媒液と冷媒蒸気とが混合部４２において混合される。なお、衝突面形成部９３の外周面にオリフィス９１ｈからの噴流が衝突するように、オリフィス９１ｈの傾斜方向が定められていてもよい。この場合、外側の衝突面形成部９２を省略することができる。

【0093】

オリフィス９１ｈ及び９３ｈは、それぞれ、中心軸Ｏに対して傾いた方向に延びている。衝突面９２ｐ及び９３ｐは、それぞれ、第１ノズル４０の中心軸Ｏに平行である。すなわち、衝突面形成部９３及び複数のオリフィス９３ｈが追加されていることを除き、本変形例の構成は、変形例１の構成と同じである。従って、本変形例においても、変形例１と同じ効果が得られる。

【0094】

本変形例においても、霧化機構９４は、噴射部７１で生成された噴流が混合部４２の内壁面に直接衝突しないように構成されている。具体的には、図６を参照して説明したように、噴射部９１からの噴流が全体的に衝突面９２ｐ又は９３ｐに衝突するように、噴射部９１と衝突面９２ｐとの位置関係又は噴射部９１と衝突面９３ｐとの位置関係が定められている。

【0095】

図８Ｃに示すように、本変形例においても、オリフィス９１ｈに代えて、スリット９１ｓを採用できる。オリフィス９３ｈに代えて、スリット９３ｓを採用できる。スリット９３ｓは、平面視で円弧の形状を有していてもよい。

【0096】

（別の実施形態）
本明細書で説明したエジェクタは、Ｒ４１０Ａなどのフッ素冷媒又は二酸化炭素などの自然冷媒を用いたヒートポンプ装置にも使用できる。図９に示すように、本実施形態のヒートポンプ装置３００は、圧縮機３０２、放熱器３０３（凝縮器）、エジェクタ１１（又は６１）、気液分離器３０５、膨張弁３０６及び蒸発器３０７を備えている。これらの構成要素は、冷媒回路３０を形成するように、流路３０ａ〜３０ｆによって互いに接続されている。流路３０ａ〜３０ｆは、典型的には、冷媒配管で構成されている。冷媒回路３０には、作動流体として、ハイドロフルオロカーボン、二酸化炭素等の冷媒が充填されている。流路３０ａ〜３０ｆにアキュームレータ等の他の構成要素が設けられていてもよい。膨張弁３０６は、省略されていてもよい。

【0097】

流路３０ａは、圧縮機３０２で圧縮された冷媒が放熱器３０３に供給されるように、圧縮機２と放熱器３０３とを接続している。流路３０ｂは、放熱器３０３から流出した冷媒がエジェクタ１１に供給されるように、放熱器３０３とエジェクタ１１とを接続している。流路３０ｃは、エジェクタ１１から吐出された冷媒が気液分離器３０５に供給されるように、エジェクタ１１と気液分離器３０５とを接続している。流路３０ｄは、気液分離器３０５で分離された冷媒蒸気が圧縮機３０２に供給されるように、気液分離器３０５と圧縮機３０２とを接続している。流路３０ｅは、気液分離器３０５で分離された冷媒液が蒸発器３０７に供給されるように、気液分離器３０５と蒸発器３０７とを接続している。流路３０ｆは、蒸発器３０７から流出した冷媒蒸気がエジェクタ１１に供給されるように、蒸発器３０７とエジェクタ１１とを接続している。

【0098】

エジェクタ１１を使用すれば、圧縮機３０２の吸入圧力を中間圧まで上昇させることができる。その結果、圧縮機３０２の負荷が減り、ヒートポンプ装置３００のＣＯＰが改善する。

【産業上の利用可能性】

【0099】

本明細書に開示されたエジェクタ及びヒートポンプ装置は、家庭用エアコン、業務用エアコンなどの空気調和装置に特に有用である。

【符号の説明】

【0100】

１１，６１ エジェクタ
１２ 第１抽出器
１３ 第１ポンプ
１４ 第１熱交換器
１５ 液経路
１５ａ〜１５ｄ 配管
２１ 蒸発器
２２ 第２ポンプ
２３ 第２熱交換器
２４ 循環路
３１ 圧縮機
３２ 蒸気経路
４０ 第１ノズル
４１ 第２ノズル
４２ 混合部
４３ ディフューザ部
４４，６４，８４，９４ 霧化機構
５１，７１，９１ 噴射部
５１ｈ，７１ｈ，９１ｈ，９３ｈ オリフィス
５１ｓ，７１ｓ，７２ｓ，９１ｓ，９３ｓ スリット
５３，７３，９２，９３ 衝突面形成部
５４ 軸部
５６ 裾部
５６ｐ，７３ｐ，９２ｐ，９３ｐ 衝突面
２００，３００ ヒートポンプ装置
Ｏ 中心軸

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図3E】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図7C】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】