特許 6981337 エジェクタ、燃料電池システムおよびエジェクタ式冷凍サイクル

(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】6981337

(24)【登録日】2021年11月22日

(45)【発行日】2021年12月15日

(54)【発明の名称】エジェクタ、燃料電池システムおよびエジェクタ式冷凍サイクル

(51)【国際特許分類】

   F04F 5/44 20060101AFI20211202BHJP

【ＦＩ】

   F04F5/44 B

【請求項の数】8

【全頁数】27

(21)【出願番号】特願2018-58985(P2018-58985)

(22)【出願日】2018年3月26日

(65)【公開番号】特開2019-173573(P2019-173573A)

(43)【公開日】2019年10月10日

【審査請求日】2021年1月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110001128

【氏名又は名称】特許業務法人ゆうあい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】杉浦 崇之

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 武志

(72)【発明者】

【氏名】石原 孝宏

(72)【発明者】

【氏名】藤田 祐樹

【審査官】 嘉村 泰光

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００８−１９０３３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００７−５２２３８６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０４Ｆ １／００−９９／００

Ｆ２５Ｂ １／００− ７／００

Ｈ０１Ｍ ８／０４− ８／０６６８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

エジェクタであって、
第１流体が流れるノズル部流路（２０４）を形成し、前記ノズル部流路を流れる前記第１流体を噴出する１つ以上のノズル部（２０２）と、
前記１つ以上のノズル部のうち少なくとも１つのノズル部からの前記第１流体の噴出によって、第２流体を吸引する吸引部（２０８）と、
前記１つ以上のノズル部のそれぞれから噴出された前記第１流体と前記吸引部から吸引された前記第２流体とが混合された流体を昇圧させるディフューザ部（２１０）と、
前記１つ以上のノズル部のそれぞれの前記ノズル部流路の上流側に連なる弁部流路（２１５）を形成し、前記弁部流路を開閉する１つ以上の弁部（２１４）とを備え、
前記１つ以上のノズル部のそれぞれの前記ノズル部流路は、当該ノズル部流路において流路断面積が最小となる絞り部（２０４ａ）を含み、
前記１つ以上の弁部のそれぞれは、当該弁部の上流側で、前記第１流体が流れる１つの弁部上流側流路（２４４）と接続されており、
前記１つ以上の弁部のそれぞれの前記弁部流路は、当該弁部流路において流路断面積が最小となる最小部（２１５ａ）を含み、
前記１つ以上のノズル部の前記ノズル部流路と前記１つ以上の弁部の前記弁部流路とを含む前記第１流体の流路は、前記１つ以上の弁部の前記最小部と前記１つ以上のノズル部の前記絞り部との間の流路である絞り部上流側流路（２２２）を含み、
前記１つ以上の弁部のうち少なくとも１つの弁部が開弁状態である期間における前記絞り部上流側流路内の前記第１流体の圧力の平均値が、前記第１流体の臨界圧力比と、前記弁部上流側流路内の前記第１流体の圧力とに基づいて定まる臨界圧力よりも小さい、エジェクタ。

【請求項2】

前記１つ以上の弁部の前記最小部の流路断面積の合計値に対応する第１の水力直径をＤ１とし、前記１つ以上のノズル部の前記絞り部の流路断面積の合計値に対応する第２の水力直径をＤ２としたとき、
前記第１の水力直径と前記第２の水力直径とは、下記の式（１）を満たす、請求項１に記載のエジェクタ。
０．９５≦Ｄ１／Ｄ２≦１．２・・・（１）

【請求項3】

前記絞り部上流側流路の容積をＶとし、
前記第１流体の臨界密度比と、前記弁部上流側流路内の前記第１流体の密度とに基づいて定まる臨界密度をρ_ｃとし、
前記第１流体の臨界流速をｕ_ｃとし、
前記１つ以上の弁部の前記最小部の流路断面積の合計値をＡとし、
前記１つ以上の弁部のそれぞれが同時に開閉されるときの当該弁部の１回の開弁状態と１回の閉弁状態との組み合わせを１制御周期としたときの１制御周期内の開弁時間をτとし、
前記１つ以上の弁部のそれぞれが同時に開閉されるときの当該弁部が閉弁状態から開弁状態に切り替わる直前のときの前記吸引部の入口での前記第２流体の密度をρ_０としたとき、
前記絞り部上流側流路の容積は、下記の式（４）を満たす、請求項１に記載のエジェクタ。

【数2】

【請求項4】

前記ノズル部流路は、前記第１流体の流れ方向に進むにつれて流路断面積が徐々に減少する減少部（２０５）を含み、
前記絞り部上流側流路は、前記減少部よりも上流側に、前記減少部において流路断面積が最大となる部分（２０５ａ）よりも流路断面積が拡大されている拡大部（２２４）を含む、請求項３に記載のエジェクタ。

【請求項5】

前記１つ以上の弁部は、１つ以上の第１弁部であり、
前記絞り部上流側流路の圧力が所定の上限値を超えると、前記絞り部上流側流路の前記第１流体を、前記１つ以上のノズル部の前記絞り部を介さずに前記絞り部上流側流路の外部に放出する１つ以上の第２弁部（２３０）をさらに備える、請求項１に記載のエジェクタ。

【請求項6】

エジェクタであって、
第１流体が流れるノズル部流路（２０４）を形成し、前記ノズル部流路を流れる前記第１流体を噴出するノズル部（２０２）と、
前記ノズル部からの前記第１流体の噴出によって、第２流体を吸引する吸引部（２０８）と、
前記ノズル部から噴出された前記第１流体と前記吸引部から吸引された前記第２流体とが混合された流体を昇圧させるディフューザ部（２１０）と、
前記ノズル部流路の上流側に連なる弁部流路（２１５）を形成し、前記弁部流路を開閉する弁部（２１４）とを備え、
前記ノズル部流路は、前記ノズル部流路において流路断面積が最小となる絞り部（２０４ａ）を含み、
前記弁部流路は、前記弁部流路において流路断面積が最小となる最小部（２１５ａ）を含み、
前記ノズル部流路と前記弁部流路とを含む前記第１流体の流路は、前記最小部と前記絞り部との間の前記第１流体の流路である絞り部上流側流路（２２２）を含み、
前記弁部が開弁状態である期間における前記絞り部上流側流路内の前記第１流体の圧力の平均値が、前記第１流体の臨界圧力比と、前記最小部の入口側の圧力とに基づいて定まる臨界圧力よりも小さい、エジェクタ。

【請求項7】

請求項１ないし６のいずれか１つに記載のエジェクタを備える、エジェクタ式冷凍サイクル。

【請求項8】

請求項１ないし６のいずれか１つに記載のエジェクタを備える、燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、エジェクタ、燃料電池システムおよびエジェクタ式冷凍サイクルに関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に、ノズル部よりも上流側に弁部が設けられたエジェクタが開示されている。このエジェクタでは、エジェクタの内部の流路形状が固定されている。このエジェクタでは、弁部の開閉によって、ノズル部から噴出される流体の流量が調整される。ノズル部から噴出される流体の流量の調整では、弁部の開弁状態と閉弁状態とが交互に繰り返される。このときの開弁開始から次の開弁開始までの期間が１制御周期である。換言すると、１回の開弁状態とその次の１回の閉弁状態とを組み合わせた期間が、１制御周期である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８−１９０３３６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、本発明者は、上記の構成のエジェクタの実用化を検討した。

【0005】

一般に、定常流を前提として、弁部とノズル部とを備える流体機器を設計する場合では、弁部の絞り径は、ノズル部の絞り径に対して十分大きく設定される。これは、弁部の全開時における弁部での圧力損失の低減のためである。ここでいう弁部の絞り径とは、弁部が開弁状態のときに、流路断面積が最小となる部分での流路幅である。ここでいうノズル部の絞り径とは、ノズル部が形成する流路のうち流路断面積が最小となる絞り部での流路幅である。

【0006】

そこで、上記の構成のエジェクタにおいて、ノズル部の絞り径に対して弁部の絞り径を十分大きく設定されたものの性能について、本発明者は調べた。その結果、このように設定されたエジェクタでは、１制御周期当たりの開弁時間に対する流量の変化の直線性が低いという課題が、本発明者によって見出された。

【0007】

本発明は上記点に鑑みて、１制御周期当たりの開弁時間に対する流量の変化の直線性を高めることができるエジェクタを提供することを目的とする。また、このエジェクタを備える燃料電池システムを提供することを他の目的とする。また、このエジェクタを備えるエジェクタ式冷凍サイクルを提供することを他の目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明のエジェクタは、
第１流体が流れるノズル部流路（２０４）を形成し、ノズル部流路を流れる第１流体を噴出する１つ以上のノズル部（２０２）と、
１つ以上のノズル部のうち少なくとも１つのノズル部からの第１流体の噴出によって、第２流体を吸引する吸引部（２０８）と、
１つ以上のノズル部のそれぞれから噴出された第１流体と吸引部から吸引された第２流体とが混合された流体を昇圧させるディフューザ部（２１０）と、
１つ以上のノズル部のそれぞれのノズル部流路の上流側に連なる弁部流路（２１５）を形成し、弁部流路を開閉する１つ以上の弁部（２１４）とを備え、
１つ以上のノズル部のそれぞれのノズル部流路は、当該ノズル部流路において流路断面積が最小となる絞り部（２０４ａ）を含み、
１つ以上の弁部のそれぞれは、当該弁部の上流側で、第１流体が流れる１つの弁部上流側流路（２４４）と接続されており、
１つ以上の弁部のそれぞれの弁部流路は、当該弁部流路において流路断面積が最小となる最小部（２１５ａ）を含み、
１つ以上のノズル部のノズル部流路と１つ以上の弁部の弁部流路とを含む第１流体の流路は、１つ以上の弁部の最小部と１つ以上のノズル部の絞り部との間の流路である絞り部上流側流路（２２２）を含み、
１つ以上の弁部のうち少なくとも１つの弁部が開弁状態である期間における絞り部上流側流路内の第１流体の圧力の平均値が、第１流体の臨界圧力比と、弁部上流側流路内の第１流体の圧力とに基づいて定まる臨界圧力よりも小さい。

【0009】

これによれば、絞り部上流側流路内の第１流体の圧力の平均値は、臨界圧力よりも小さい。これにより、後述する本発明者のシミュレーション結果の通り、絞り部上流側流路内の第１流体の圧力の平均値が、臨界圧力よりも大きい場合と比較して、１制御周期当たりの開弁時間に対する流量の変化の直線性を高めることができる。

【0010】

請求項６に記載の発明のエジェクタは、
第１流体が流れるノズル部流路（２０４）を形成し、ノズル部流路を流れる第１流体を噴出するノズル部（２０２）と、
ノズル部からの第１流体の噴出によって、第２流体を吸引する吸引部（２０８）と、
ノズル部から噴出された第１流体と吸引部から吸引された第２流体とが混合された流体を昇圧させるディフューザ部（２１０）と、
ノズル部流路の上流側に連なる弁部流路（２１５）を形成し、弁部流路を開閉する弁部（２１４）とを備え、
ノズル部流路は、ノズル部流路において流路断面積が最小となる絞り部（２０４ａ）を含み、
弁部流路は、弁部流路において流路断面積が最小となる最小部（２１５ａ）を含み、
ノズル部流路と弁部流路とを含む第１流体の流路は、最小部と絞り部との間の第１流体の流路である絞り部上流側流路（２２２）を含み、
弁部が開弁状態である期間における絞り部上流側流路内の第１流体の圧力の平均値が、第１流体の臨界圧力比と、最小部の入口側の圧力とに基づいて定まる臨界圧力よりも小さい、エジェクタ。

【0011】

これによれば、絞り部上流側流路内の第１流体の圧力の平均値は、臨界圧力よりも小さい。これにより、後述する本発明者のシミュレーション結果の通り、絞り部上流側流路内の第１流体の圧力の平均値が、臨界圧力よりも大きい場合と比較して、１制御周期当たりの開弁時間に対する流量の変化の直線性を高めることができる。

【0012】

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】第１実施形態における燃料電池システムの構成を示す図である。

【図2】図１中のエジェクタの断面図である。

【図3】図２のエジェクタの弁部の拡大図である。

【図4】図２のエジェクタのノズル部の拡大図である。

【図5】比較例１のエジェクタにおいて、弁部が開閉制御されるときの時間経過に対する、弁部からノズル部に流入する流体の流量の変化を示す図である。

【図6】図５に示す流量波形のうちの１制御周期の部分を示す図である。

【図7】比較例１のエジェクタにおいて、弁部が開閉制御されるときの時間経過に対する、弁部からノズル部に流入する流体の流量の変化を示す図である。

【図8】比較例１のエジェクタにおいて、Ｄｕｔｙ比を固定したまま、１制御周期の開弁時間を変化させたときの１制御周期当たりの開弁時間の長さに対する駆動流の流量の変化を示す図である。

【図9】比較例１のエジェクタにおいて、制御周期の時間長さを固定したまま、Ｄｕｔｙ比を変化させたときの１制御周期当たりの開弁時間の長さに対する駆動流の流量の変化を示す図である。

【図10】図２に示す構造のエジェクタにおいて、Ｄ１／Ｄ２の値を任意の値に変えたときにおける、弁部の開弁直後からの経過時間と、絞り部上流側流路内の圧力との関係を示すシミュレーション結果である。

【図11】図１０の結果から算出した開弁状態の間の圧力の平均値を示すグラフである。

【図12】図２に示す構造のエジェクタにおいて、Ｄ１／Ｄ２の値を任意の値に変えたときにおける、弁部の開弁直後からの経過時間と、絞り部上流側流路内の流体の流量との関係を示すシミュレーション結果である。

【図13】第１実施形態のエジェクタにおいて、Ｄｕｔｙ比を固定したまま、１制御周期の開弁時間を変化させたときの１制御周期当たりの開弁時間の長さに対する駆動流の流量の変化を示す図である。

【図14】第１実施形態のエジェクタにおいて、制御周期の時間長さを固定したまま、Ｄｕｔｙ比を変化させたときの１制御周期当たりの開弁時間の長さに対する駆動流の流量の変化を示す図である。

【図15】第２実施形態のエジェクタの断面図である。

【図16】第３実施形態のエジェクタの断面図である。

【図17】第４実施形態のエジェクタ式冷凍サイクルの構成を示す図である。

【図18】第５実施形態のエジェクタの構成を示す図である。

【図19】第６実施形態のエジェクタの構成を示す図である。

【図20】第７実施形態のエジェクタの構成を示す図である。

【図21】第７実施形態のエジェクタの構成を示す図である。

【図22】第８実施形態のエジェクタの構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

【0015】

（第１実施形態）
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１０は、燃料電池１２と、燃料ガス供給経路１４と、オフガス供給経路１６と、エジェクタ２０とを備えている。

【0016】

燃料電池１２は、燃料ガスと酸化剤ガスとの化学反応により電気エネルギを発生させる。本実施形態では、燃料ガスとして水素ガスが用いられ、酸化剤ガスとして空気中の酸素が用いられる。水素と酸素との電気化学反応により電気エネルギが発生する。

【0017】

燃料ガス供給経路１４は、燃料電池１２へ燃料ガスを導く。オフガス供給経路１６は、燃料電池１２から排出されたオフガスを燃料ガス供給経路１４に合流させる。オフガスには、燃料電池１２に供給された燃料ガスのうち上記化学反応に用いられなかった未反応ガスが含まれる。エジェクタ２０は、燃料ガス供給経路１４のうちオフガス供給経路１６の合流部位に設けられている。エジェクタ２０は、燃料ガスを吐出する。さらに、エジェクタ２０は、オフガスを吸引し、吸引したオフガスを燃料ガスとともに吐出する。

【0018】

図２に示すように、エジェクタ２０は、ノズル部２０２と、本体部２０６と、開閉弁２１２とを備える。

【0019】

ノズル部２０２は、燃料ガスが流れるノズル部流路２０４を内部に形成している。ノズル部２０２は、ノズル部流路２０４を流れる燃料ガスを噴出する。ノズル部流路２０４は、燃料ガスの流れ方向に進むにつれて流路断面積が減少している減少部２０５を含む。本実施形態では、ノズル部流路２０４の全部が、減少部２０５である。したがって、ノズル部流路２０４は、ノズル部流路２０４の下流側端部に、ノズル部流路２０４において流路断面積が最小となる絞り部２０４ａを有する。燃料ガスは、圧縮性流体である。燃料ガスは、第１流体に相当する。

【0020】

本体部２０６は、吸引部２０８と、ディフューザ部２１０とを含む。吸引部２０８は、ノズル部２０２からの燃料ガスの噴出によって、オフガス供給経路１６からオフガスを吸引する。吸引部２０８は、オフガスが流れる吸引部流路２０９を内部に形成している。オフガスは、圧縮性流体である。オフガスは、第２流体に相当する。

【0021】

ディフューザ部２１０は、ノズル部２０２から噴出された燃料ガスと吸引部２０８から吸引されたオフガスとの混合ガスを昇圧させる。ディフューザ部２１０は、昇圧させた混合ガスを吐出する。ディフューザ部２１０は、混合ガスが流れるディフューザ部流路２１１を内部に形成している。本実施形態では、ディフューザ部２１０は、ノズル部２０２から噴出した燃料ガスと吸引部２０８から吸引されたオフガスとを混合させる混合部を兼ねている。なお、混合部とディフューザ部２１０とが分けられていてもよい。

【0022】

本実施形態では、開閉弁２１２を除き、エジェクタ２０の流路形状が固定されている。このため、本実施形態では、エジェクタ２０は流路形状を変更するための可動部を持たない。エジェクタ２０の流路形状には、ノズル部流路２０４の形状、ディフューザ部流路２１１の形状などが含まれる。エジェクタ２０の流路形状が固定されているとは、エジェクタ２０の使用時に、ノズル部流路２０４の流路断面積、ノズル部流路２０４を形成するノズル部２０２の内壁面の角度、ノズル部流路２０４の長さ、ディフューザ部流路２１１の流路断面積等が、変化せず一定であることを意味する。

【0023】

開閉弁２１２は、ノズル部２０２の上流側の流路を開閉する。開閉弁２１２は、弁部２１４と、弁部２１４を駆動させる図示しない駆動部とを有する。弁部２１４は、ノズル部流路２０４に連なる弁部流路２１５を内部に形成している。弁部２１４は、この弁部流路２１５を開閉する。弁部２１４は、燃料ガスが流れる図１に示す１つの弁部上流側流路２４４と接続されている。弁部上流側流路２４４は、燃料ガス供給経路１４の一部である。

【0024】

より詳細には、弁部２１４は、弁部本体部２１６と、弁体２１８と、弁座２２０とを含む。弁部本体部２１６には、燃料ガスが流れる流路となる内部空間が形成されている。弁体２１８と弁座２２０とは、弁部本体部２１６の内部空間によって構成される流路を開閉する。弁部２１４が開弁状態のとき、弁体２１８と弁座２２０との間を燃料ガスが流れる。したがって、弁部本体部２１６の内部空間と、開弁状態のときの弁体２１８と弁座２２０との間の空間とが、弁部流路２１５を構成している。

【0025】

弁部流路２１５は、弁部２１４が開弁状態のときに、弁部流路２１５において流路断面積が最小となる最小部２１５ａを含む。本実施形態では、図３に示すように、開弁状態のときに、弁部流路２１５のうち弁体２１８と弁座２２０との間の空間よりも下流側の部分が、最小部２１５ａとなっている。なお、弁部流路２１５のうち弁体２１８と弁座２２０との間の空間が、最小部２１５ａとなっていてもよい。

【0026】

ノズル部流路２０４および弁部流路２１５を含む燃料ガスの流路は、最小部２１５ａと絞り部２０４ａとの間の燃料ガスの流路である絞り部上流側流路２２２を含む。絞り部上流側流路２２２には、最小部２１５ａの下流側端部と、絞り部２０４ａの上流側端部とが含まれる。

【0027】

ここで、図３に示すように、弁部２１４の絞り径をＤ１とする。弁部２１４の絞り径Ｄ１とは、最小部２１５ａの水力直径である。水力直径とは、流路の断面と等価な円管の直径である。水力直径は、４×（流路断面積）／（濡れ縁長さ）で表される。濡れ縁長さとは、流路断面における壁面の長さである。流路の断面形状がリング形状の場合、濡れ縁長さは、リングの内周の濡れ縁長さと、リングの外周の濡れ縁長さとの和である。

【0028】

また、図４に示すように、ノズル部２０２の絞り径をＤ２とする。ノズル部２０２の絞り径Ｄ２とは、絞り部２０４ａの水力直径である。

【0029】

このとき、本実施形態では、弁部２１４の絞り径Ｄ１とノズル部２０２の絞り径Ｄ２とは、次の式（１）を満たすように設定されている。

【0030】

０．９５≦Ｄ１／Ｄ２≦１．２・・・（１）
これにより、弁部２１４が開弁状態の期間における絞り部上流側流路２２２内の燃料ガスの圧力の平均値は、燃料ガスの臨界圧力比と、最小部２１５ａの入口側の圧力とに基づいて定まる臨界圧力よりも小さくなる。最小部２１５ａの入口側の圧力は、弁部上流側流路２４４内の燃料ガスの圧力である。

【0031】

ここで、臨界圧力比と臨界圧力とのそれぞれは、圧縮性流体力学で定義されているものと同じである。圧縮性流体力学についての文献として、次の文献が挙げられる。
松尾一泰著、圧縮性流体力学 内部流れの理論と解析、第１版、理工学社、1994.11.10.
臨界圧力比は、最小部２１５ａを通る流体の流速が音速に達するときの最小部２１５ａの入口側の圧力と出口側の圧力との比である。臨界圧力比は、最小部２１５ａを通る流体の流れがチョーク流れとなるときの、最小部２１５ａの入口側の圧力と出口側の圧力との比の最大値である。最小部２１５ａの入口側の圧力と出口側の圧力との比が、臨界圧力比よりも小さいときに、最小部２１５ａを通る流体の流速が音速になる。このときの流体の流れがチョーク流れである。流れの中で、ある点の速度がその点における音速に等しい状態が、圧縮性流体力学で定義されている臨界状態である。臨界圧力は、最小部２１５ａを通る流体の流速が音速であるとき、すなわち、最小部２１５ａを通る流体が臨界状態であるときの最小部２１５ａの出口側の圧力の大きさである。したがって、臨界圧力は、燃料ガスの臨界圧力比と、最小部２１５ａの入口側の圧力とに基づいて定まる。

【0032】

臨界圧力比をｂとし、最小部２１５ａの入口側の圧力をＰ_０とし、最小部２１５ａの出口側の圧力が臨界圧力であるときの圧力をＰ^＊とし、流体の比熱比をγとする。このとき、臨界圧力比および臨界圧力は、次の式（２）、（３）で示される。

【0033】

【数1】

Ｐ^＊＝ｂ・Ｐ_０・・・（３）
図１に示すように、本実施形態の燃料電池システム１０では、燃料ガスが燃料電池１２に向けて燃料ガス供給経路１４を流れる。燃料電池１２は、供給された燃料ガスと供給された空気との化学反応により発電する。燃料電池１２から排出されたオフガスは、エジェクタ２０によってオフガス供給経路１６を流れて、燃料ガス供給経路１４に合流する。

【0034】

このとき、エジェクタ２０では、図２中の矢印Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３のように、ノズル部２０２から燃料ガスが噴出される。これにより、図２中の矢印Ｆ４のように、オフガス供給経路１６から吸引部２０８へオフガスが吸引される。ノズル部２０２から噴出された燃料ガスと、吸引部２０８から吸引されたオフガスとは、ディフューザ部２１０で合流して混合ガスとなる。図２中の矢印Ｆ５のように、混合ガスは、ディフューザ部２１０から燃料ガス供給経路１４に吐出される。

【0035】

ここで、上記の通り、エジェクタ２０は、ノズル部２０２、吸引部２０８、ディフューザ部２１０とを有する流体ポンプである。エジェクタ２０は、ノズル部２０２から噴流となって流れる駆動流の運動エネルギを、圧力エネルギに変換する。より詳細には、ノズル部２０２からの駆動流の減圧および牽引効果により、吸引部２０８から作動流体が吸引される。図２中の矢印Ｆ３が駆動流を示している。図２中の矢印Ｆ４が吸引流を示している。ディフューザ部２１０で作動流体が減速することにより、運動エネルギが圧力エネルギに変換されて、圧力エネルギが増大する。

【0036】

本実施形態のエジェクタ２０のように、流路形状が固定されたエジェクタは、流路形状を変化させるための可動部を持たない。このため、一般的に、流路形状が固定されたエジェクタは、機械式のポンプに比べて、耐久性、信頼性および製造コストのいずれにも優れる。

【0037】

エジェクタ２０の性能は、駆動流の持つ運動エネルギの大きさとエジェクタ２０の流路形状とに強く依存する。このため、駆動流の運動エネルギまたはエジェクタの流路形状を変化させることで、エジェクタの性能を変えることができる。

【0038】

しかし、エジェクタの流路形状を変化させることは、可動部を持たせることになる。このため、エジェクタの流路形状を変化させることは、上記のエジェクタの可動部を持たないという特長を失わせてしまう。したがって、多くの場合、エジェクタの性能の可変のために、駆動流の運動エネルギを変化させることが行われる。この運動エネルギの変化は、ノズル部の絞り部の入口側の圧力または温度を変化させるか、駆動流の流量を変化させることで実現できる。

【0039】

駆動流の流量を変化させるには、ノズル部の絞り部の径を変化させるか、ノズル部の入口側の流路を断続的に開閉することなどの方法がある。本願では、後者のノズル部２０２の入口側の流路を、断続的に開閉する方法に注目する。流路の開時間と流路の閉時間とを調節することで、駆動流の流量を変化させることができる。

【0040】

そこで、燃料電池システム１０は、制御装置２２を備えている。制御装置２２は、駆動流の流量が所望の流量となるように、弁部２１４の開閉を制御する。弁部２１４の開閉制御では、弁部２１４の開弁状態と閉弁状態とが交互に繰り返される。１回の開弁状態と１回の閉弁状態との組み合わせが、１つの制御周期とされる。１つの制御周期の長さや、Ｄｕｔｙ比が変更されることで、駆動流の流量が変更される。Ｄｕｔｙ比は、１つの制御周期において、開弁状態の時間長さと閉弁状態の時間長さの和に対する開弁状態の時間長さの比である。

【0041】

なお、本実施形態の弁部２１４の開閉制御では、弁部２１４の全開状態と閉弁状態とが切り替えられる。しかしながら、全開状態を第１の開弁状態とし、全開と全閉との間の開度のときを第２の開弁状態として、第１の開弁状態と、第２の開弁状態と、閉弁状態とが切り替えられてもよい。

【0042】

次に、本実施形態のエジェクタ２０が解決する課題について説明する。

【0043】

一般に、定常流を前提として、弁部２１４とノズル部２０２とを備える流体機器を設計する場合では、弁部２１４の絞り径Ｄ１は、ノズル部２０２の絞り径Ｄ２に対して十分大きく設定される。これは、弁部２１４の全開時における弁部２１４での圧力損失の低減のためである。このように設定されたエジェクタ２０を比較例１のエジェクタ２０と呼ぶ。

【0044】

比較例１のエジェクタ２０において、弁部２１４の開弁状態と閉弁状態とが交互に繰り返される。このとき、図２中の流体の流れＦ２の流量は、図５、６に示すように、時間経過に伴い変化する。この流体の流れＦ２は、弁部２１４からノズル部２０２に流入する流体の流れである。ここでいう流量は、質量流量である。図５は、比較例１のエジェクタ２０での経過時間に対する流体の流れＦ２の流量変化を示している。経過時間は、弁部２１４の開弁直後からの経過時間である。図５では、１制御周期はＴ１である。開弁時間はＴ２である。閉弁時間はＴ３である。図６は、図５に示す流量波形のうちの１制御周期の部分を示している。

【0045】

図６に示すように、開弁直後からの期間である開弁初期では、流量は大きな流量である第１流量Ｑ１となる。その後、第１流量Ｑ１から第１流量Ｑ２よりも小さな第２流量Ｑ２まで、流量は減少する。その後、流量は第２流量Ｑ２で一定となる。以下では、図６に示す流量波形のうち流量が第２流量Ｑ２よりも大きい部分を突入流量部分と呼ぶ。

【0046】

このような流量変化が生じた理由は、次の通りである。すなわち、弁部２１４の開弁直後では、弁部２１４の入口側と出口側との圧力比は、臨界圧力比以下である。この圧力比は、弁部２１４の入口側の圧力に対する弁部２１４の出口側の圧力の比である。このため、流体の流れＦ２は、チョーク（すなわち、音速）流れとなる。第１流量Ｑ１は、このチョーク流れのときの流量である。

【0047】

弁部２１４の開弁直後から時間が経過するにつれて、弁部２１４の出口側の圧力が上昇する。弁部２１４の出口側の圧力とは、絞り部上流側流路２２２の圧力のことである。弁部２１４の出口側の圧力が上昇すると、弁部２１４の入口側と出口側との圧力比は、臨界圧力よりも大きくなる。このため、流体の流れＦ２は、チョーク流れではなくなり、流速が低下する。流体の流れＦ２の流量は、第１流量Ｑ１から第２流量Ｑ２まで減少する。

【0048】

その後、絞り部２０４ａの入口側と出口側との圧力比は、臨界圧力比以下となる。このため、絞り部２０４ａからの流体の流れＦ３は、チョーク流れとなる。第２流量Ｑ２は、このチョーク流れのときの流体の流れＦ２の流量である。絞り部２０４ａの入口側と出口側との圧力比は、絞り部２０４ａの入口側の圧力に対する絞り部２０４ａの出口側の圧力の比である。絞り部２０４ａの入口側の圧力は、弁部２１４の出口側の圧力と同じである。

【0049】

ここで、流体の流れＦ２がチョーク流れとなるときの流量は、弁部２１４の絞り径Ｄ１と、弁部２１４の入口側の流体の状態（すなわち、流体の温度、圧力）とによって決まる。同様に、流体の流れＦ３がチョーク流れとなるときの流量は、絞り部２０４ａの絞り径Ｄ２と、絞り部２０４ａの入口側の流体の状態（すなわち、流体の温度、圧力）とによって決まる。弁部２１４の絞り径Ｄ１は、絞り部２０４ａの絞り径Ｄ２よりも十分に大きい。このため、第１流量Ｑ１は、第２流量Ｑ２よりも大きい。よって、図６に示す流量波形において突入流量部分が生じる。

【0050】

ところで、弁部２１４の開弁制御の１つの方法として、Ｄｕｔｙ比を固定して、開弁時間を短くする方法がある。この制御方法は、Ｄｕｔｙ比を固定することで駆動流の流量を変えずに、開弁時間を短くすることで駆動流の脈動を抑制することを目的とする。なお、駆動流の流量は、図２の流体の流れＦ２の流量と同じである。

【0051】

しかし、図５に示す流量波形のときの開弁制御に対して、Ｄｕｔｙ比を変えずに、１制御周期の時間を半分にした場合、駆動流の時間に対する流量変化は、図７に示す流量波形となる。図７では、１制御周期は１／２・Ｔ１である。開弁時間は１／２・Ｔ２である。閉弁時間は１／２・Ｔ３である。図７に示す流量波形では、図５に示す流量波形に対して、流量が第２流量Ｑ２で一定となる時間は短くなるが、突入流量部分の流量および時間は変わらない。このように、流量波形の突入流量部分は、１制御周期での開弁状態の時間の長さを短くしても、１制御周期の流量波形内に、同じ形状で存在する。したがって、１制御周期の時間を短くするほど、突入流量部分の影響が大きくなる。

【0052】

このため、図８に示すように、Ｄｕｔｙ比を一定として、１制御周期の開弁時間を短くすると、駆動流の流量が変わってしまう。すなわち、開弁時間に対して流量は一定ではない。図８は、Ｄｕｔｙ比を固定したまま、１制御周期の開弁時間を変化させたときの１制御周期当たりの開弁時間の長さに対する駆動流の流量の変化を示している。図８の縦軸は、単位時間における図６中の斜線が付された領域の面積の総和である。単位時間内に複数の制御周期が含まれる場合、複数の制御周期のそれぞれの流量波形の面積の総和である。

【0053】

また、弁部２１４の開弁制御の他の方法として、制御周期の時間長さを固定して、Ｄｕｔｙ比を変化させる方法がある。この制御方法は、Ｄｕｔｙ比の変化で、駆動流の流量を調整する。

【0054】

しかし、図９に示すように、突入流量部分の影響により、Ｄｕｔｙ比の変化に対して、駆動流の流量は直線的な変化をしない。図９は、制御周期の時間長さを固定したまま、Ｄｕｔｙ比を変化させたときの１制御周期当たりの開弁時間の長さに対する駆動流の流量の変化を示している。横軸の１制御周期当たりの開弁時間の長さを、Ｄｕｔｙ比に換算することができる。

【0055】

このように、弁部２１４の絞り径Ｄ１がノズル部２０２の絞り径Ｄ２に対して十分大きく設定される場合、エジェクタ２０は、１制御周期当たりの開弁時間に対する駆動流の流量の変化の直線性が低いという特性を持つ。この場合、燃料電池システム１０において、エジェクタ２０の駆動流の流量を正確に調整するためには、駆動流の流量を検知する検知部を用いてのフィードバック制御が必要となる。このフィードバック制御では、検知部で検知した駆動流の流量に応じて、弁部２１４の開弁時間を調整する。このため、燃料電池システム１０に検知部が必要となる。さらに、フィードバック制御を行うために、制御装置２２の構成が複雑となる。

【0056】

次に、本実施形態のエジェクタ２０の効果について説明する。

【0057】

本実施形態では、弁部２１４の絞り径Ｄ１とノズル部２０２の絞り径Ｄ２とが、上記の式（１）を満たすように設定されている。

【0058】

図１０は、図２に示すエジェクタにおいて、Ｄ１／Ｄ２の値が２．２〜０．９５のそれぞれの値のときにおける、絞り部上流側流路２２２の圧力の時間変化を示すシミュレーション結果である。図１０の横軸は、弁部２１４が開閉制御されるときの１制御周期での経過時間を示している。図１１は、Ｄ１／Ｄ２の値が２．２〜０．９５のそれぞれの値のときにおける、図１０中の開弁時間内の圧力の平均値を示すグラフである。図１２は、Ｄ１／Ｄ２の値が２．２〜０．９５のそれぞれの値のときにおける、流体の流れＦ２の流量の時間に対する変化を示すシミュレーション結果である。図１２の横軸は、弁部２１４が開閉制御されるときの１制御周期での経過時間を示している。

【0059】

これらのシミュレーションでは、弁部２１４の上流側の圧力と、絞り部２０４ａの下流側の圧力とのそれぞれを変えずに、Ｄ１／Ｄ２の値を変えた。また、Ｄ１／Ｄ２の値を変えることは、ノズル部２０２の絞り径Ｄ２の大きさを固定して、弁部２１４の絞り径Ｄ１を変えることで行われた。

【0060】

Ｄ１／Ｄ２の値が２．２〜０．９５のそれぞれの値のとき、絞り部上流側流路２２２の圧力は、開弁直後から閉弁に切り替わるまで、図１０に示すように変化する。そして、Ｄ１／Ｄ２の値が２．２〜０．９５のそれぞれの値のときの図１０中の開弁時間内の圧力の平均値は、図１１に示す通りであった。図１１に示すように、Ｄ１／Ｄ２の値が１．２よりも小さいとき、圧力の平均値は、臨界圧力よりも小さくなっている。

【0061】

図１２に示すように、Ｄ１／Ｄ２の値が１．２よりも小さいとき、Ｄ１／Ｄ２の値が１．３以上のときと比較して、図６に示す突入流量部分を小さくすることができる。すなわち、Ｄ１／Ｄ２の値が１．２よりも小さいとき、流量を一定に近づけることができる。

【0062】

ここで、流量波形が図６に示す波形となるのは、最小部２１５ａからの流れが臨界状態に維持されないことが原因である。これに対して、本実施形態によれば、絞り部上流側流路２２２の圧力の平均値が、臨界圧力よりも小さくなっている。このため、弁部２１４が開弁状態の期間、最小部２１５ａからの流れが臨界状態またはそれに近い状態に維持される。よって、最小部２１５ａからの流量が一定に近づくと考えられる。上記のシミュレーション結果は、絞り部上流側流路２２２の体積が特定の大きさであるときの結果である。しかしながら、絞り部上流側流路２２２の体積がこの特定の大きさでない場合であっても、類似の結果が得られるものと考えられる。

【0063】

なお、一般的に、流量の目標値に対する誤差は５％以内であることが望まれる。本発明者は、エジェクタ２０を用いたシステムにおいて、Ｄ１／Ｄ２の値が１．２のときに、弁部２１４を開閉制御したときの駆動流の目標値に対する誤差を試算した。この結果、誤差を５％以内に抑えることができた。したがって、Ｄ１／Ｄ２の値が１．２以下のとき、誤差を５％以内に抑えることができる。

【0064】

Ｄ１／Ｄ２の値を０．９５以上とする理由は、次の通りである。ノズル部２０２の絞り径Ｄ２の大きさを固定して、弁部２１４の絞り径Ｄ１を減少させることで、Ｄ１／Ｄ２の値を減少させる場合を考える。この場合、Ｄ１／Ｄ２の値が減少するにつれて、絞り部上流側流路２２２を流れる流体の流量が小さくなる。絞り部上流側流路２２２を流れる流体の流量を維持するためには、ノズル部２０２の絞り径Ｄ２を大きくしなければならない。しかし、ノズル部２０２の絞り径Ｄ２を大きくすることは、好ましくない。エジェクタ２０の大型化によって、エジェクタ２０のコストが増大するからである。そこで、本実施形態では、Ｄ１／Ｄ２の値を０．９５以上とする。これにより、ノズル部２０２の絞り径Ｄ２が大きくなることを抑制でき、エジェクタ２０の大型化を抑制できる。

【0065】

本実施形態によれば、図１３に示すように、Ｄｕｔｙ比を固定して、開弁時間を変化させたときに、流量が一定に近いという特性を、エジェクタ２０に持たせることができる。図１３は、本実施形態のエジェクタ２０において、Ｄｕｔｙ比を固定したまま、１制御周期の開弁時間を変化させたときの１制御周期当たりの開弁時間の長さに対する駆動流の流量の変化を示している。

【0066】

さらに、本実施形態によれば、図１４に示すように、制御周期の時間長さを固定して、Ｄｕｔｙ比を変化させたときに、流量がＤｕｔｙ比（すなわち、開弁時間の長さ）に対して直線的に変化するという特性を、エジェクタ２０に持たせることができる。図１４は、本実施形態のエジェクタ２０において、制御周期の時間長さを固定したまま、Ｄｕｔｙ比を変化させたときの１制御周期当たりの開弁時間の長さに対する駆動流の流量の変化を示している。

【0067】

このように、１制御周期当たりの開弁時間に対する流量の変化の直線性が高いという特性を、エジェクタ２０に持たせることができる。

【0068】

このため、制御装置２２は、エジェクタ２０の駆動流を目的の流量に調整する場合、目的の流量に応じて開弁時間に設定する。すなわち、制御装置２２は、目的の流量に応じて、１制御周期の時間およびＤｕｔｙ比を設定する。これにより、エジェクタ２０の駆動流を目的の流量に調整することができる。

【0069】

したがって、本実施形態では、制御装置２２のフィードバック制御が不要となる。このため、駆動流の流量を検知する検知部が不要となる。さらに、制御装置２２の構成が簡素化される。この結果、本実施形態のエジェクタ２０が適用された燃料電池システム１０の生産コストを低減することができる。

【0070】

（第２実施形態）
図１５に示すように、本実施形態では、弁部本体部２１６が形成する流路の形状が第１実施形態と異なる。弁部本体部２１６が形成する流路の一部は、拡大部２２４となっている。拡大部２２４は、減少部２０５において流路断面積が最大となる部分２０５ａよりも流路断面積が拡大されている。したがって、絞り部上流側流路２２２は、減少部２０５よりも上流側に、拡大部２２４を含む。

【0071】

そして、絞り部上流側流路２２２の容積をＶとする。燃料ガスの臨界密度をρ_ｃとする。燃料ガスの臨界流速をｕ_ｃとする。最小部２１５ａでの流路断面積をＡとする。１制御周期内の弁部２１４の開弁時間をτとする。弁部２１４が閉弁状態から開弁状態に切り替わる直前のときに、吸引部２０８の入口でのオフガスの密度をρ_０とする。

【0072】

このとき、絞り部上流側流路２２２の容積は、下記の式（４）を満たすように設定されている。

【0073】

【数2】

なお、臨界密度は、臨界密度比と、弁部２１４の入口側での密度とによって定まる密度である。臨界密度と臨界密度比とのそれぞれは、圧縮性流体力学で定義されているものと同じである。臨界密度は、最小部２１５ａの出口側での流体が臨界状態であるときの最小部２１５ａの出口側での流体の密度である。

【0074】

臨界密度比をｄとし、最小部２１５ａの入口側での燃料ガスの密度をρ_０とし、最小部２１５ａの出口側での状態が臨界状態であるときの密度をρ^＊とし、流体の比熱比をγとする。このとき、臨界密度比および臨界密度は、次の式（５）、（６）で示される。

【0075】

【数3】

ρ^＊＝ｄ・ρ_０・・・（６）
臨界流速は、圧縮性流体力学で定義されているものと同じである。臨界流速は、流体が臨界状態のときの流速である。臨界流速をｕ_ｃとし、比熱比をγとしたとき、臨界流速は次の式（７）で示される。

【0076】

【数4】

式（７）中のＲは気体定数、Ｔ_０は最小部２１５ａの入口での流体の温度である。

【0077】

上記の式（４）は、最小部２１５ａでの流体の状態が臨界状態を維持できるように、絞り部上流側流路２２２内の圧力の開弁期間中の平均値が臨界圧力を下回るための絞り部上流側流路２２２の容積の条件を示している。

【0078】

上記の式（４）は、次のようにして導かれる。すなわち、絞り部上流側流路２２２から流体が流出しないと仮定する。開弁状態の期間中に絞り部上流側流路２２２に流体が流入する。このときの閉弁状態から開弁状態に切り替えられたときから、閉弁状態に切り替えられるまでの質量の変化をΔｍとする。最小部２１５ａでの流体の状態が臨界状態になるとき、この質量の変化は、次の式（８）、（９）の２通りの式で示される。
Δｍ＝ρ_ｃ・ｕ_ｃ・Ａ・τ・・・（８）
Δｍ＝（ρ_ｃ−ρ_０）・Ｖ・・・（９）

【0079】

式（９）は、開弁前後の燃料ガスの密度変化と燃料ガスの体積とによって質量の変化を示している。開弁後の密度の最大値は、燃料ガスの臨界密度である。本実施形態では、吸引部２０８の入口で計測されるオフガスの密度を、開弁前の燃料ガスの密度、すなわち、ノズル部２０２よりも下流側での燃料ガスの密度とみなしている。

【0080】

式（８）、（９）より、式（１０）が導かれる。
Ｖ＝ρ_ｃ・ｕ_ｃ・Ａ・τ／（ρ_ｃ−ρ_０）・・・（１０）
式（１０）は、最小部２１５ａでの流体の状態が臨界状態になるときの絞り部上流側流路２２２の容積を示している。

【0081】

ここで、絞り部上流側流路２２２内の流体の圧力と密度は１対１の関係がある。圧力が増大すると、密度も増大する。このため、絞り部上流側流路２２２内の流体の平均圧力が臨界圧力よりも下回ることは、部上流側流路２２２内の流体の密度が臨界密度よりも下回ることと等しい。また、質量が一定のとき、容積が増大すると、密度が低下するという関係がある。この関係より、流体の密度を下げるためには、容積を増大させればよい。
したがって、式（１０）から式（４）が導かれる。

【0082】

エジェクタ２０の他の構成は、第１実施形態と同じである。燃料電池システム１０の構成は、第１実施形態と同じである。

【0083】

本実施形態によれば、絞り部上流側流路２２２の容積が式（４）を満たしている。これにより、第１実施形態と同様に、絞り部上流側流路２２２での圧力の平均値は、第１流体の臨界圧力よりも小さくなる。したがって、本実施形態によっても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

【0084】

なお、本実施形態では、弁部２１４の絞り径Ｄ１の大きさは、第１実施形態に記載の式（１）を満たさないほど、ノズル部２０２の絞り径Ｄ２より大きくてもよい。また、弁部２１４の絞り径Ｄ１の大きさは、第１実施形態に記載の式（１）を満たす大きさでもよい。

【0085】

（第３実施形態）
本実施形態では、第１実施形態の弁部２１４は第１弁部２１４である。本実施形態では、図１６に示すように、エジェクタ２０が第２弁部２３０を備える点が、第１実施形態と異なる。

【0086】

第２弁部２３０は、絞り部上流側流路２２２の圧力が所定の上限値を超えると、絞り部上流側流路２２２の燃料ガスを、絞り部２０４ａを介さずに、絞り部上流側流路２２２の外部に放出する圧力逃がし弁である。

【0087】

第１弁部２１４の弁部本体部２１６には、逃がし流路２３２が形成されている。逃がし流路２３２は、絞り部上流側流路２２２につながっている。逃がし流路２３２は、絞り部上流側流路２２２内の燃料ガスの一部を絞り部上流側流路２２２の外部に放出するための流路である。第２弁部２３０は、逃がし流路２３２に接続されている。第２弁部２３０は、逃がし流路２３２を開閉する。

【0088】

第２弁部２３０は、絞り部上流側流路２２２の圧力が所定の上限値を超えると、機械的に開弁状態になる。この上限値は、弁部２１４が開弁状態の期間における絞り部上流側流路２２２での圧力の平均値が、臨界圧力よりも小さくなるように、設定される。これにより、弁部２１４が開弁状態の期間における絞り部上流側流路２２２での圧力の平均値が、臨界圧力よりも小さくなる。

【0089】

したがって、本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。なお、圧力センサが絞り部上流側流路２２２の圧力を検出する。圧力センサの検出値が所定値を超えた場合に、第２弁部２３０が開弁状態にされるようになっていてもよい。

【0090】

なお、本実施形態では、１つの第２弁部２３０が絞り部上流側流路２２２に接続されていた。しかしながら、２つ以上の第２弁部２３０が絞り部上流側流路２２２に接続されていてもよい。

【0091】

（第４実施形態）
図１７に示すように、本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル３０は、圧縮機３２と、放熱器３４と、エジェクタ２０と、気液分離器３６と、蒸発器３８とを主な構成部品として備えている。各構成部品は、冷媒配管によって接続されている。各構成部品は、蒸気圧縮式の冷凍サイクルを構成する。

【0092】

圧縮機３２は、吸入した冷媒を圧縮して吐出する。放熱器３４は、圧縮機３２から吐出された冷媒を放熱させる。放熱器３４は、冷凍サイクルの冷媒と他の熱交換媒体とを熱交換させる熱交換器である。

【0093】

エジェクタ２０は、図２に示す第１実施形態のエジェクタ２０と同じものである。エジェクタ２０は、放熱器３４から流出した冷媒をノズル部２０２から噴出する。エジェクタ２０は、蒸発器３８から流出した冷媒を吸引部２０８から吸入する。エジェクタ２０は、吸引部２０８から吸入した冷媒と、ノズル部２０２から噴出した冷媒との混合冷媒をディフューザ部２１０から吐出する。冷媒は、圧縮性流体である。ノズル部２０２を流れる冷媒が、第１流体に相当する。吸引部から吸引される冷媒が、第２流体に相当する。

【0094】

気液分離器３６は、エジェクタ２０のディフューザ部２１０に接続されている。気液分離器３６は、ディフューザ部２１０から流出した冷媒を、気相冷媒と液相冷媒とに分離する。気液分離器３６の気相冷媒出口側に、圧縮機３２の冷媒吸入口が接続されている。気液分離器３６の液相冷媒出口側に、蒸発器３８の冷媒入口側が接続されている。蒸発器３８は、吸引部２０８に向かって流れる冷媒を蒸発させる。蒸発器３８は、冷凍サイクルの冷媒と他の熱交換媒体とを熱交換させる熱交換器である。

【0095】

このように構成されたエジェクタ式冷凍サイクル３０では、圧縮機３２から吐出された冷媒が放熱器３４で放熱される。放熱器３４から流出した冷媒は、エジェクタ２０のノズル部２０２に流入する。ノズル部２０２に流入した冷媒は、図２中の矢印Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３のように、ノズル部２０２から噴射される。このとき、ノズル部２０２では、冷媒の圧力エネルギが速度エネルギに変換されることで、冷媒が減圧膨張される。また、ノズル部２０２からの冷媒の噴出によって、図２中の矢印Ｆ４のように、蒸発器３８から流出した冷媒が、吸引部２０８から吸引される。ノズル部２０２から噴出された冷媒と吸引部２０８から吸引された冷媒とは、ディフューザ部２１０で合流する。図２中の矢印Ｆ５のように、合流した冷媒は、ディフューザ部２１０から吐出される。このとき、ディフューザ部２１０では、流路断面積の拡大によって冷媒の速度エネルギが圧力エネルギに変換されることで、冷媒が昇圧される。

【0096】

ディフューザ部２１０から吐出された冷媒は、気液分離器３６で気相冷媒と液相冷媒とに分離される。気液分離器３６から流出した液相冷媒は、蒸発器３８で蒸発した後、蒸発器３８から流出する。気液分離器３６から流出した気相冷媒は、圧縮機３２に吸引される。

【0097】

本実施形態のエジェクタ式冷凍サイクル３０においても、第１実施形態と同じエジェクタ２０が用いられている。このため、第１実施形態と同様の効果が得られる。

【0098】

（第５実施形態）
図１８に示すように、本実施形態では、弁部２１４とノズル部２０２とが、中間流路２４０を介して、接続されている。中間流路２４０は、弁部２１４とノズル部２０２との間の流路である。中間流路２４０は、弁部２１４とノズル部２０２との両方に対して別体として構成された管によって形成される。

【0099】

ノズル部２０２のノズル部流路２０４、中間流路２４０および弁部２１４の弁部流路２１５を含む燃料ガスの流路は、最小部２１５ａと絞り部２０４ａとの間の燃料ガスの流路である絞り部上流側流路２２２を含む。

【0100】

エジェクタ２０の他の構成は、第１実施形態と同じである。よって、本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。なお、第２〜第４実施形態のそれぞれにおいて、本実施形態の構成が採用されてもよい。

【0101】

（第６実施形態）
図１９に示すように、本実施形態では、エジェクタ２０は、２つの弁部２１４Ａ、２１４Ｂを備える。２つの弁部２１４Ａ、２１４Ｂは、ノズル部２０２の上流側で、並列に接続されている。２つの弁部２１４Ａ、２１４Ｂのそれぞれの構成は、第１実施形態の弁部２１４と同じである。

【0102】

２つの弁部２１４Ａ、２１４Ｂのそれぞれの上流側は、分岐部２４２を介して、１つの弁部上流側流路２４４に接続されている。このため、矢印Ｆ１で示す弁部上流側流路２４４を流れる燃料ガスは、分岐部２４２で分岐する。分岐した燃料ガスのそれぞれは、２つの弁部２１４Ａ、２１４Ｂのそれぞれに流入する。

【0103】

２つの弁部２１４Ａ、２１４Ｂのそれぞれの下流側は、合流部２４６を介して、ノズル部２０２に接続されている。このため、２つの弁部２１４Ａ、２１４Ｂのそれぞれから流出した燃料ガスは、合流部２４６で合流した後、矢印Ｆ２で示すように、ノズル部２０２に流入する。

【0104】

２つの弁部２１４Ａ、２１４Ｂのそれぞれは、開弁期間が同じ、または、開弁期間がずれるように、開閉される。換言すると、２つの弁部２１４Ａ、２１４Ｂのそれぞれは、開弁期間の少なくとも一部が重複するように、開閉制御される。

【0105】

本実施形態では、エジェクタ２０は、２つの弁部２１４Ａ、２１４Ｂのそれぞれの最小部２１５ａと、絞り部２０４ａとの間の燃料ガスの流路である絞り部上流側流路２２２Ａを有する。

【0106】

そして、２つの弁部２１４Ａ、２１４Ｂのそれぞれの最小部２１５ａの流路断面積の合計値に対応する水力直径である第１の水力直径をＤ１とする。絞り部２０４ａの水力直径である第２の水力直径をＤ２としたとき、第１の水力直径と第２の水力直径とは、式（１）を満たしている。換言すると、式（１）を満たすように、２つの弁部２１４Ａ、２１４Ｂのそれぞれの最小部２１５ａの絞り径と、絞り部２０４ａの絞り径とが設定されている。

【0107】

０．９５≦Ｄ１／Ｄ２≦１．２・・・（１）
これにより、２つの弁部２１４Ａ、２１４Ｂのうち少なくとも１つの弁部が開弁状態である期間における絞り部上流側流路２２２内の燃料ガスの圧力の平均値が、燃料ガスの臨界圧力比と、弁部上流側流路２４４内の燃料ガスの圧力とに基づいて定まる臨界圧力よりも小さくなる。このため、本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

【0108】

なお、本実施形態において、第２実施形態のように、絞り部上流側流路２２２の容積は、式（４）を満たすように設定されていてもよい。これによって、絞り部上流側流路２２２内の燃料ガスの圧力の平均値が、臨界圧力よりも小さくなるように、エジェクタ２０が構成されていてもよい。

【0109】

この場合、式（４）中のＡは、２つの弁部２１４Ａ、２１４Ｂの最小部２１５ａの流路断面積の合計値である。式（４）中のρ_ｃは、燃料ガスの臨界密度比と、弁部上流側流路２４４内の燃料ガスの密度とに基づいて定まる、第１流体の臨界密度である。式（４）中のτは、２つの弁部２１４Ａ、２１４Ｂが同時に開閉されるときのそれぞれの弁部の１回の開弁状態と１回の閉弁状態との組み合わせを１制御周期としたときの１制御周期内の開弁時間である。式（４）中のρ_０は、２つの弁部２１４Ａ、２１４Ｂのそれぞれが同時に開閉されるときのそれぞれの弁部が閉弁状態から開弁状態に切り替わる直前のときの吸引部２０８の入口でのオフガスの密度である。

【0110】

また、本実施形態において、第３実施形態のように、エジェクタ２０が１つ以上の第２弁部２３０を備えていてもよい。これによって、絞り部上流側流路２２２内の燃料ガスの圧力の平均値が、臨界圧力よりも小さくなっていてもよい。

【0111】

なお、本実施形態では、ノズル部２０２の上流側で、２つの弁部２１４Ａ、２１４Ｂ同士が並列に接続されている。しかしながら、ノズル部２０２の上流側で、３つ以上の弁部同士が並列に接続されていてもよい。この場合、本実施形態の記載において、２つの弁部２１４Ａ、２１４Ｂを３つ以上の弁部と読み替えればよい。

【0112】

（第７実施形態）
図２０に示すように、本実施形態では、エジェクタ２０は、２つのノズル部２０２Ａ、２０２Ｂを備える。２つのノズル部２０２Ａ、２０２Ｂは、１つの弁部２１４の下流側で、並列に接続されている。２つのノズル部２０２Ａ、２０２Ｂのそれぞれの構成は、第１実施形態のノズル部２０２と同じである。

【0113】

２つのノズル部２０２Ａ、２０２Ｂのそれぞれの上流側は、分岐部２５０を介して、１つの弁部２１４の下流側に接続されている。１つの弁部２１４の上流側は、１つの弁部上流側流路２４４に接続されている。このため、図２０中の矢印Ｆ１のように、燃料ガスは、弁部上流側流路２４４、弁部２１４の順に流れる。弁部２１４から流出した燃料ガスは、分岐部２５０で分岐する。分岐した燃料ガスのそれぞれは、図２０中の矢印Ｆ２ａ、Ｆ２ｂのように、２つのノズル部２０２Ａ、２０２Ｂのそれぞれに流入する。したがって、２つのノズル部２０２Ａ、２０２Ｂに流入する燃料ガスの流量の合計は、第１実施形態のノズル部２０２に流入する燃料ガスの流量と同じである。

【0114】

図２１に示すように、２つのノズル部２０２Ａ、２０２Ｂは、１つの本体部２０６に対して設けられる。図２１中の矢印Ｆ３ａ、Ｆ３ｂのように、２つのノズル部２０２Ａ、２０２Ｂのそれぞれから噴出された燃料ガスは、１つのディフューザ部２１０のディフューザ部流路２１１を流れる。２つのノズル部２０２Ａ、２０２Ｂのうち少なくとも１つのノズル部からの燃料ガスの噴出によって、図２１中の矢印Ｆ４のように、吸引部２０８からオフガスが吸引される。２つのノズル部２０２Ａ、２０２Ｂのうち少なくとも１つのノズル部から噴出された燃料ガスと、吸引部２０８から吸引されたオフガスとは、ディフューザ部２１０で合流して混合ガスとなる。図２１中の矢印Ｆ５のように、混合ガスは、ディフューザ部２１０から吐出される。

【0115】

本実施形態では、図２０に示すように、エジェクタ２０は、最小部２１５ａと、２つのノズル部２０２Ａ、２０２Ｂの絞り部２０４ａとの間の燃料ガスの流路である絞り部上流側流路２２２Ｂを有する。本実施形態の絞り部上流側流路２２２Ｂは、最小部２１５ａと分岐部２５０との間の流路と、分岐部２５０と一方のノズル部２０２Ａの絞り部２０４ａとの間の流路と、分岐部２５０と他方のノズル部２０２Ｂの絞り部２０４ａとの間の流路とを含む。

【0116】

そして、最小部２１５ａの水力直径である第１の水力直径をＤ１とする。２つのノズル部２０２Ａ、２０２Ｂのそれぞれの絞り部２０４ａの流路断面積の合計値に対応する水力直径である第２の水力直径をＤ２とする。このとき、第１の水力直径と第２の水力直径とは、式（１）を満たしている。換言すると、式（１）を満たすように、最小部２１５ａの絞り径と、２つのノズル部２０２Ａ、２０２Ｂのそれぞれの絞り部２０４ａの絞り径とが設定されている。

【0117】

０．９５≦Ｄ１／Ｄ２≦１．２・・・（１）
これにより、弁部２１４が開弁状態である期間における絞り部上流側流路２２２内の燃料ガスの圧力の平均値が、燃料ガスの臨界圧力比と、弁部上流側流路２４４内の燃料ガスの圧力とに基づいて定まる臨界圧力よりも小さくなる。このため、本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

【0118】

なお、本実施形態において、第２実施形態のように、絞り部上流側流路２２２の容積は、式（４）を満たすように設定されていてもよい。これによって、絞り部上流側流路２２２内の燃料ガスの圧力の平均値が、臨界圧力よりも小さくなっていてもよい。

【0119】

また、本実施形態において、第３実施形態のように、エジェクタ２０が１つ以上の第２弁部２３０を備えていてもよい。これによって、絞り部上流側流路２２２内の燃料ガスの圧力の平均値が、臨界圧力よりも小さくなっていてもよい。

【0120】

なお、本実施形態では、１つの弁部２１４の下流側で、２つのノズル部２０２Ａ、２０２Ｂ同士が並列に接続されている。しかしながら、１つの弁部２１４の下流側で、３つ以上のノズル部同士が並列に接続されていてもよい。この場合、本実施形態の記載において、２つのノズル部２０２Ａ、２０２Ｂを３つ以上のノズル部と読み替えればよい。

【0121】

（第８実施形態）
図２２に示すように、第６実施形態と同様に、エジェクタ２０は、２つの弁部２１４Ａ、２１４Ｂを備える。さらに、第７実施形態と同様に、エジェクタ２０は、２つのノズル部２０２Ａ、２０２Ｂを備える。

【0122】

本実施形態では、図２２に示すように、エジェクタ２０は、２つの弁部２１４Ａ、２１４Ｂの最小部２１５ａと、２つのノズル部２０２Ａ、２０２Ｂの絞り部２０４ａとの間の燃料ガスの流路である絞り部上流側流路２２２Ｃを有する。本実施形態の絞り部上流側流路２２２Ｃは、一方の弁部２１４Ａの最小部２１５ａと合流部２４６との間の流路と、他方の弁部２１４Ｂの最小部２１５ａと合流部２４６との間の流路と、合流部２４６と分岐部２５０との間の流路と、分岐部２５０と一方のノズル部２０２Ａの絞り部２０４ａとの間の流路と、分岐部２５０と他方のノズル部２０２Ｂの絞り部２０４ａとの間の流路とを含む。

【0123】

そして、２つの弁部２１４Ａ、２１４Ｂのそれぞれの最小部２１５ａの流路断面積の合計値に対応する水力直径である第１の水力直径をＤ１とする。２つのノズル部２０２Ａ、２０２Ｂのそれぞれの絞り部２０４ａの流路断面積の合計値に対応する水力直径である第２の水力直径をＤ２とする。このとき、第１の水力直径と第２の水力直径とは、式（１）を満たしている。換言すると、式（１）を満たすように、２つの弁部２１４Ａ、２１４Ｂのそれぞれの最小部２１５ａの絞り径と、２つのノズル部２０２Ａ、２０２Ｂのそれぞれの絞り部２０４ａの絞り径とが設定されている。

【0124】

０．９５≦Ｄ１／Ｄ２≦１．２・・・（１）
これにより、２つの弁部２１４Ａ、２１４Ｂのうち少なくとも１つの弁部が開弁状態である期間における絞り部上流側流路２２２内の燃料ガスの圧力の平均値が、燃料ガスの臨界圧力比と、弁部上流側流路２４４内の燃料ガスの圧力とに基づいて定まる臨界圧力よりも小さくなる。このため、本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。

【0125】

なお、本実施形態においても、第２実施形態のように、絞り部上流側流路２２２の容積は、式（４）を満たすように設定されていてもよい。これによって、絞り部上流側流路２２２内の燃料ガスの圧力の平均値が、臨界圧力よりも小さくなっていてもよい。このときの式（４）中の各記号の説明は、第６実施形態での説明と同じである。

【0126】

また、本実施形態においても、第３実施形態のように、エジェクタ２０が１つ以上の第２弁部２３０を備えていてもよい。これによって、絞り部上流側流路２２２内の燃料ガスの圧力の平均値が、臨界圧力よりも小さくなっていてもよい。

【0127】

また、本実施形態においても、３つ以上の弁部同士が並列に接続されていてもよい。３つ以上のノズル部同士が並列に接続されていてもよい。

【0128】

（他の実施形態）

【0129】

（１）第１〜第３実施形態では、ノズル部２０２と弁部本体部２１６とが別体として構成されている。しかしながら、ノズル部２０２と弁部本体部２１６とが一体成形品として構成されていてもよい。

【0130】

（２）上記各実施形態では、ノズル部流路２０４は、ノズル部流路２０４の下流側端部に、絞り部２０４ａを有している。しかしながら、ノズル部流路２０４は、ノズル部流路２０４の下流側端部よりも上流側に、絞り部２０４ａを有していてもよい。

【0131】

（３）第２実施形態では、弁部本体部２１６が形成する流路の一部は、拡大部２２４となっている。しかしながら、ノズル部２０２が形成する流路の一部が、拡大部２２４となっていてもよい。この場合であっても、絞り部上流側流路２２２は、減少部２０５よりも上流側に、拡大部２２４を有する。

【0132】

（４）第２実施形態では、絞り部上流側流路２２２は、減少部２０５よりも上流側に、拡大部２２４を有している。しかしながら、絞り部上流側流路２２２は、拡大部２２４を有していなくてもよい。絞り部上流側流路２２２の容積が式（４）を満たすように、絞り部上流側流路２２２の長さが設定されていてもよい。例えば、絞り部上流側流路２２２の容積が式（４）を満たすように、中間流路２４０の長さが設定されていてもよい。

【0133】

（５）第１〜第３実施形態では、ノズル部２０２から噴出される第１流体は、燃料ガスである。第４実施形態では、ノズル部２０２から噴出される第１流体は、冷凍サイクルの冷媒である。しかしながら、ノズル部２０２から噴出される第１流体は、他の圧縮性流体であってもよい。

【0134】

（６）本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能であり、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。また、上記各実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。また、上記各実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではない。また、上記各実施形態において、構成要素等の材質、形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の材質、形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その材質、形状、位置関係等に限定されるものではない。

【0135】

（まとめ）
上記各実施形態の一部または全部で示された第１の観点によれば、エジェクタは、１つ以上のノズル部と、吸引部と、ディフューザ部と、１つ以上の弁部とを備える。１つ以上の弁部のうち少なくとも１つの弁部が開弁状態である期間における絞り部上流側流路内の第１流体の圧力の平均値が、第１流体の臨界圧力比と、弁部上流側流路内の第１流体の圧力とに基づいて定まる臨界圧力よりも小さい。

【0136】

また、第２の観点によれば、１つ以上の弁部の最小部の流路断面積の合計値に対応する第１の水力直径をＤ１とし、１つ以上のノズル部の絞り部の流路断面積の合計値に対応する第２の水力直径をＤ２とする。このとき、第１の水力直径と第２の水力直径とは、下記の式（１）を満たす。

【0137】

０．９５≦Ｄ１／Ｄ２≦１．２・・・（１）
これによれば、Ｄ１／Ｄ２を１．２以下とすることで、絞り部上流側流路内の第１流体の圧力の平均値を臨界圧力よりも小さくすることができる。このように、第１の観点の構成を実現するための具体的な構成として、第２の観点の構成を採用することができる。

【0138】

さらに、Ｄ１／Ｄ２を０．９５以上とすることで、ノズル部が大きくなることを抑制できる。よって、エジェクタの大型化を抑制することができる。

【0139】

また、第３の観点によれば、絞り部上流側流路の容積をＶとする。第１流体の臨界密度比と、弁部上流側流路内の第１流体の密度とに基づいて定まる臨界密度をρ_ｃとする。第１流体の臨界流速をｕ_ｃとする。１つ以上の弁部の最小部の流路断面積の合計値をＡとする。１つ以上の弁部のそれぞれが同時に開閉されるときの当該弁部の１回の開弁状態と１回の閉弁状態との組み合わせを１制御周期としたときの１制御周期内の開弁時間をτとする。１つ以上の弁部のそれぞれが同時に開閉されるときの当該弁部が閉弁状態から開弁状態に切り替わる直前のときの吸引部の入口での第２流体の密度をρ_０とする。このとき、絞り部上流側流路の容積は、下記の式（４）を満たす。

【0140】

【数2】

これによれば、式（４）を満たすように、絞り部上流側流路の容積が設定されている。これにより、絞り部上流側流路内の第１流体の圧力の平均値を臨界圧力よりも小さくすることができる。このように、第１の観点の構成を実現するための具体的な構成として、第３の観点の構成を採用することができる。

【0141】

また、第４の観点によれば、ノズル部流路は、第１流体の流れ方向に進むにつれて流路断面積が徐々に減少する減少部を含む。絞り部上流側流路は、減少部よりも上流側に、減少部において流路断面積が最大となる部分よりも流路断面積が拡大されている拡大部を含む。第３の観点において、具体的には、第４の観点の構成を採用することができる。

【0142】

また、第５の観点によれば、１つ以上の弁部は、１つ以上の第１弁部である。絞り部上流側流路の圧力が所定の上限値を超えると、絞り部上流側流路の第１流体を、１つ以上のノズル部の絞り部を介さずに絞り部上流側流路の外部に放出する１つ以上の第２弁部をさらに備える。

【0143】

これによれば、絞り部上流側流路内の第１流体の圧力の平均値が臨界圧力よりも小さくなるために、エジェクタは、１つ以上の第２弁部を備える。所定の上限値は、絞り部上流側流路内の第１流体の圧力の平均値が臨界圧力よりも小さくなるように設定される。これにより、絞り部上流側流路内の第１流体の圧力の平均値を臨界圧力よりも小さくすることができる。このように、第１の観点の構成を実現するための具体的な構成として、第５の観点の構成を採用することができる。

【0144】

また、第６の観点によれば、エジェクタは、ノズル部と、吸引部と、ディフューザ部と、弁部とを備える。弁部が開弁状態である期間における絞り部上流側流路内の第１流体の圧力の平均値が、第１流体の臨界圧力比と、最小部の入口側の圧力とに基づいて定まる臨界圧力よりも小さい。

【0145】

また、第７の観点によれば、エジェクタ式冷凍サイクルは、第１〜第６の観点のいずれか１つのエジェクタを備える。第１〜第６の観点のエジェクタをエジェクタ式冷凍サイクルに用いることができる。

【0146】

また、第８の観点によれば、燃料電池システムは、第１〜第６の観点のいずれか１つのエジェクタを備える。第１〜第６の観点のエジェクタを燃料電池システムに用いることができる。

【符号の説明】

【0147】

２０ エジェクタ
２０２ ノズル部
２０４ ノズル部流路
２０４ａ 絞り部
２０８ 吸引部
２１０ ディフューザ部
２１４ 弁部
２１５ａ 最小部
２２２ 絞り部上流側流路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】