CN1207524C - 具有节流可控喷嘴的喷射器减压装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于致冷剂循环的喷射器减压装置，其包括：喷嘴；增压部分；针阀，其设置成可以在喷嘴的致冷剂通道中沿喷嘴轴向移动，用以调节喷嘴致冷剂通道的开口程度，所述针阀具有朝向针阀的下游端呈锥形的下游部分，以使针阀的下游部分的横截面面积向针阀的下游端减少，其中：所述针阀设置在所述喷嘴的致冷剂通道中以形成节流部分，所述节流部分在所述针阀和所述喷嘴的内壁之间的空间中具有最小的横截面积；以及所述节流部分定位在致冷剂流中自所述喉部的上游。针阀的顶端部分和针阀的内壁设置成以便致冷剂在喉部的上游减压成气-液两相状态。相应地，喷嘴的节流程度能可变地进行控制而不会降低喷射器的效率。

Description

具有节流可控喷嘴的喷射器减压装置
技术领域
本发明涉及一种用于蒸汽压缩制冷循环的喷射器减压装置。更具体地说，本发明涉及一种具有节流可控喷嘴的喷射器，其中喷嘴的节流度可以控制。
背景技术
在喷射器循环中，吸进压缩机中致冷剂的压力通过在喷射器的喷嘴中将膨胀能量转换成压力能量而得到增加，从而降低了压缩机的动力消耗。此外，致冷剂通过利用喷射器泵的功能循环进入蒸发器。当然，当喷射器的能量转换效率，即喷射器效率ηe降低时，吸入到压缩机中致冷剂的压力不能通过喷射器充分地增加。在这种情况下，压缩机的动力消耗不能令人满意地降低。另一方面，喷射器喷嘴的节流度(通道开口程度)通常是固定的。因此，当流进喷嘴的致冷剂的流量变化时，喷射器效率ηe就随着致冷剂流量的变化而变化。此外根据本发明发明者的实验，如果仅改变喷嘴的节流度，由于用于控制节流度的控制过程的致冷剂流量的损失，喷射器效率ηe就大大降低。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的之一是提供一种具有改进结构的节流可控喷嘴的喷射器减压装置。
本发明的第二个目的在于可变地控制喷射器减压装置喷嘴的节流度而不会大大降低喷射器减压装置的喷射器效率ηe。
为了实现上述目的的一个方面，本发明提供一种用于致冷剂循环的喷射器减压装置，所述致冷剂循环包括用于由压缩机压缩的致冷剂散热的散热器和用于减压后蒸发致冷剂的蒸发器，喷射器减压装置包括：
喷嘴，其内壁形成致冷剂通道，所述喷嘴用于通过将致冷剂的压力能量转换为致冷剂的速度能量减压和膨胀来自散热器的致冷剂，喷嘴包括在喷嘴的致冷剂通道中具有最小横截面面积的喉部和设置成邻接位于致冷剂流中的上游方向的所述喉部的膨胀部分，其中所述膨胀部分的横截面面积在致冷剂流中向下游方向增加；
增压部分，其设置成通过将致冷剂的速度能量转换为致冷剂压力能量来增加致冷剂的压力，同时混合从喷嘴中喷射出的致冷剂和从蒸发器中吸收的致冷剂；和
针阀，其设置成可以在喷嘴的致冷剂通道中沿喷嘴轴向移动，用以调节喷嘴致冷剂通道的开口程度，
所述针阀具有朝向针阀的下游端呈锥形的下游部分，以使针阀的下游部分的横截面面积向针阀的下游端减少，其中：
所述针阀设置在所述喷嘴的致冷剂通道中以形成节流部分，所述节流部分在所述针阀和所述喷嘴的内壁之间的空间中具有最小的横截面积；以及
所述针阀和所述喷嘴的内壁设置成以使所述节流部分定位在致冷剂流中自所述喉部的上游。
根据本发明，用于制冷循环的喷射器减压装置包括通过将致冷剂的压力能量转换为速度能量来减压和膨胀来自散热器中的致冷剂的喷嘴，当将从喷嘴中喷出的致冷剂和从制冷循环的蒸发器中吸进的致冷剂混合时，通过将致冷剂的速度能量转换为压力能量来增加致冷剂压力的增压部分，以及放置在致冷剂通道中，在喷嘴的轴向上能进行移动以调节喷嘴的致冷剂开口程度的针阀。在此，致冷剂通道由喷嘴的内壁限定。此外，喷嘴包括在喷嘴致冷剂通道中具有最小横截面面积的喉部和在致冷剂流动中从喉部到下游的横截面面积逐渐增大的膨胀部分。在喷射器减压装置中，针阀和喷嘴的内壁具有预定的形状以便在致冷剂流动中，流进喷嘴的致冷剂在喉部的上游减压成气-液两相状态。在本发明中，因为致冷剂在喉部的上游被减压成气-液状态，所以产生了致冷剂气泡，致冷剂的质量密度降低。相应地，在喷嘴中致冷剂通道的横截面面积相对减少。因此，致冷剂流量得到调整，避免了将致冷剂通道节流到超过必要的程度。结果，在具有可变控制致冷剂通道开口程度的喷嘴的喷射器减压装置中，可以避免喷射器效率ηe出现较大地降低。
优选地，针阀具有下游端，其设置成可以在自喉部的上游区域中沿所述喷嘴的轴向方向在喷嘴的致冷剂通道中移动。
优选地，喷嘴的内壁形成具有自喉部的上游至少有两个不同锥角的近似圆锥的形状；和所述喷嘴的内壁向所述喉部方向径向尺寸减小。
另外，针阀设置在喷嘴的致冷剂通道中以限定在针阀和喷嘴内壁间的空间具有最小横截面面积的节流部分，而节流部分位于致冷剂流动中喉部的上游。因此，调整后有小扰动的致冷剂可以通过喉部，并当流过延长部分时被充分地加速以高于声速。因为致冷剂可以在喷嘴中准确、充分地加速，因此喷射器的效率可以得到有效地改善。
优选地，针阀具有朝向针阀下游端的锥形下游部分，这样针阀下游部分的横截面面积向下游端方向减少，而针阀的内壁形成至少两个自喉部为上游具有不同锥形角的近似锥形。此外喷嘴内壁的径向尺寸向喉部的方向减少。另外喷嘴内壁的径向尺寸从喷嘴的上游端向喉部减少，而从喉部到喷嘴的下游端增加。
附图说明
参照附图对本发明的优选实施方式进行详细地说明，本发明的上述和其它目的和特征将得到更加清晰地理解。其中：
图1是显示根据本发明第一优选实施方式的喷射器循环示意图；
图2是显示根据本发明第一实施方式的喷射器的示意图；
图3A是显示根据本发明第一实施方式的喷射器喷嘴中致冷剂流动的放大示意图，而图3B是显示图3A中喷嘴内壁形状的放大示意图；
图4是解释根据本发明第一实施方式的喷射器喷嘴操作效果的放大示意图；
图5是显示根据第一实施方式的喷射器效率和参照喷射器效率之间的比较的条线图；
图6是解释参照喷射器喷嘴中的问题的放大示意图；
图7是解释另一个参照喷射器喷嘴中的问题的放大示意图；
图8是显示根据本发明第二实施方式的喷嘴的放大示意图；和
图9A是显示根据本发明第三实施方式的喷嘴的放大示意图；而图9B是显示图9A中喷嘴的致冷剂通道和图2中沿喷嘴轴向的混合部分和扩散管的截面面积变化的曲线图。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的优选实施方式进行说明。
第一实施方式
如图1所示，在第一实施方式中，喷射器循环中的喷射器通常用于水加热器的热泵循环。在喷射器循环中，喷射器是作为减压装置来对致冷剂进行减压。在图1所示的热泵循环中，压缩机10吸入和压缩致冷剂，而散热器20冷却从压缩机10排出的致冷剂。具体地说，散热器20是高压热交换器，它通过压缩机10中流出的致冷剂和水之间的热交换加热用于水加热器的水。压缩机10通过电机(未示出)驱动，而压缩机10的旋转速度可以加以控制。从压缩机10中排出的致冷剂流量随着压缩机10旋转速度的增加而增加，因此增加了散热器20中水的加热性能。反之，压缩机10中的流量随着压缩机10旋转速度的降低而降低，因此也降低了散热器20中水的加热性能。
在第一实施方式中，由于采用氟里昂作为致冷剂，所以散热器20中的致冷剂压力等于或低于致冷剂的临界压力，致冷剂在散热器20中冷凝。当然，其它致冷剂如二氧化碳也可以作为致冷剂。当二氧化碳作为致冷剂使用时，散热器20中的致冷剂压力等于或高于致冷剂的临界压力。在这种情况下，致冷剂的温度从散热器20的入口到散热器20的出口逐渐降低。蒸发器30蒸发液态致冷剂。具体地说，蒸发器30是低压热交换器，其通过外部空气和液态致冷剂之间的热交换操作吸收外部空气的热量蒸发液态致冷剂。喷射器40吸进在蒸发器30中蒸发的致冷剂，同时减压和膨胀来自散热器20的致冷剂，通过将膨胀能量转换为压力能量来增加吸进压缩机10中致冷剂的压力。
气-液分离器50将来自喷射器40中的致冷剂分离成气态致冷剂和液态致冷剂，并在其中贮存分离的致冷剂。气-液分离器50包括连接到压缩机10吸入口的气态致冷剂出口和连接到蒸发器30入口的液态致冷剂出口。相应地，在喷射器循环(热泵循环)中，液态致冷剂流进蒸发器30，同时来自散热器20的致冷剂在喷射器40的喷嘴41中减压。
下面将参照图2、3A、3B对喷射器40的结构进行具体说明。如图2所示，喷射器40包括喷嘴41，混合部分42和扩散管43。喷嘴41通过将高压致冷剂的压力能量转换为速度能量减压和膨胀来自散热器20的高压致冷剂。来自蒸发器30的气态致冷剂被喷嘴41中喷射出的高速致冷剂气流吸进混合部分42，吸入的气态致冷剂和喷射的致冷剂在混合部分42中混合。在混合吸自蒸发器30的气态致冷剂和喷嘴41中喷射出的致冷剂的同时，扩散管43通过将致冷剂的速度能量转换为致冷剂的压力能量来增加致冷剂的压力。
在混合部分42中，喷嘴41喷射出的致冷剂和从蒸发器30中吸入的致冷剂混合，这样两种致冷剂流体的动量总和不变。因此，在混合部分42中致冷剂的静压力也增加。由于扩散管43中致冷剂通道的截面面积逐渐增大，所以在扩散管43中，致冷剂的动态压力转变为致冷剂的静态压力。因此，在混合部分42和扩散管43中的致冷剂压力都增加。相应地，第一实施方式中，混合部分42和扩散管43形成了增压部分。理论上说，在喷射器40中，致冷剂的压力在混合部分42中增加，所以两种致冷剂流体的总动量在混合部分42中保持不变，而致冷剂的压力在扩散管43中增加，所以致冷剂的总能量在扩散管43中保持不变。
喷嘴41是具有喉部41a和膨胀部分41b的拉贝尔(laburl)喷嘴(参考东京大学出版社出版的“流体工程”)。其中，喉部41a的横截面面积在喷嘴41的致冷剂通道中是最小的。如图3A所示，膨胀部分41b的内径尺寸d2从喉部41a到喷嘴41的下游端逐渐增加。如图2所示，针阀44通过致动器45沿喷嘴41的轴向移动，从而可以调节喉部41a的开口程度。也就是说，喷嘴41中致冷剂通道的节流度可以通过针阀44的位移进行调节。在第一实施方式中，电致动器如直线螺旋电机和具有螺旋机构的步进电机都可以作为致动器45使用，而高压致冷剂的压力用压力传感器(图中未示出)检测。因此就能调节喉部41a的开口程度，以将检测压力控制在预定的压力。
针阀44设置于喷射器40的致冷剂通道中喉部41a的上游。此外，如图3A所示，针阀44的锥形部分和喷嘴41的内壁表面构造成使节流部分41c形成于喉部41a的上游，从而来自散热器20的致冷剂在喉部41a的上游减压进入气-液两相状态。在此，节流部分41c的横截面面积由针阀44和喷嘴41确定，并且是喷嘴41的致冷剂通道中最小的面积。具体地说，如图3B所示，喷嘴41的内壁表面至少有两个锥形角α1、α2(参照日本工业标准B 0612)，并形成两级锥形，所以内径尺寸d1向喉部41a方向减少。此外，针阀44的顶端部分形成近似的圆锥形，所以针阀44的横截面面积向其顶端减少。
下面将对第一实施方式中的喷射器40的操作效果进行说明。参照图3A和图3B，由喷嘴41和针阀44限定的致冷剂通道的截面面积向节流部分41c减少。因此，当致冷剂的流量是由喷嘴41的开口程度确定的流量时，从散热器20流进喷嘴41的致冷剂的流动速度向节流部分41c的方向增加。另一方面，致冷剂通道的截面面积从节流部分41c到针阀44的下游端稍有增加。当然，与膨胀部分41b相比，致冷剂通道中从节流部分41c到针阀44下游端的截面面积的增加程度很小。因此在节流部分41c和针阀44下游端间的致冷剂通道中，不会由于致冷剂膨胀和蒸发引起致冷剂流动的加速，也不会在针阀44的表面附近及其上使致冷剂流动的速度边界层产生大的扰动。
另外，喷嘴41中，致冷剂通道的截面面积从针阀44的顶端到喉部41a再次减少。因此，在针阀44顶端和喉部41a之间，致冷剂的流动被节流和加速，同时在节流部分41c和针阀44的顶端产生的小的扰动也被调整。接着，调整后的致冷剂穿过喉部41a流进膨胀部分41b。然后，致冷剂在膨胀部分41b中膨胀并加速到等于或大于声速的速度。此时，由于穿过喉部41a的致冷剂有较小的扰动，因此由于扰动产生的涡流损失在膨胀部分41b中得到再次限制。
来自散热器20中的致冷剂在喷射器41中的喉部41a的上游部分减压成气-液两相致冷剂。因此，如图4所示，喉部41a上游部分产生的气泡在向喉部41a的方向被进一步压缩。然后，致冷剂的气泡减少，并在喉部41a产生沸腾核心。当致冷剂通过喉部41a流进膨胀部分41b时，沸腾核心再次沸腾，因此助长了致冷剂在膨胀部分41b中的沸腾，加速致冷剂使其等于或高于声速。在第一实施方式中，致冷剂的流量不是通过直接改变喉部41a中致冷剂通道的横截面面积来调节。实际上，致冷剂在自喉部41a的致冷剂通道上游减压成气-液两相致冷剂，并在气-液致冷剂中产生致冷剂气泡，所以致冷剂的质量密度减少。相应地，喷嘴41中致冷剂通道的横截面面积相对减少。因此调节了致冷剂的流量，避免了调节致冷剂通道超过必要的程度。相应地，如图5右边(本发明的测试结果)所示，避免了喷射器效率ηe较大地降低。
在图5中，“固定”表示喷嘴具有最适合致冷剂流量的固定形状，而“控制”表示具有可以通过针阀44调节的致冷剂通道的喷嘴。在本发明中，由于致冷剂可以通过喷嘴41进行精确和充分地加速，因此可以改善喷射器效率ηe。结果，喷嘴41的节流度可以根据致冷剂的流量控制，同时喷射器效率ηe保持在较高的水平。
此外，参照图5中左边所示的试验结果，致冷剂喷射器的喷射器效率ηe与本实施方式相比大大地降低。参照试验是通过使用图6、7所示的喷嘴410完成的。如图6所示，本发明的发明者研究了包括用于调节喷嘴410节流度的针阀440的参照喷射器410。针阀440具有圆锥形顶端并在喷嘴410中移动以调节节流度。在这种情况下，在针阀440表面附近及其上流动的致冷剂沿针阀440的圆锥形顶端表面流动。因此，沿圆锥形顶端表面流动的致冷剂流在针阀440顶端的下游端彼此碰撞。所以，由于致冷剂扰动就在针阀440的下游边处的致冷剂流和致冷剂通道的速度边界层中产生了涡流损失。相应地，即使是在喷嘴410的膨胀部分410b中，在喷嘴410中心轴线上的致冷剂流动速度也降低。从而中心轴线上的致冷剂流动速度变得最高。因此，致冷剂不能通过喷嘴410充分地加速，喷射器效率ηe降低。
另一方面，如图7所示，如果致冷剂通道的横截面面积只是简单地在喉部410a控制，以便喷嘴410附近空间的横截面面积在喉部410a最小，由于致冷剂沸腾就很容易在喉部410a的下游产生致冷剂气泡。当在自喉部410a的致冷剂通道下游产生致冷剂气泡时，喉部410a下游边的致冷剂通道横截面面积一般会由于致冷剂气泡而减少。因此，致冷剂通道被节流到超过必要的水平，而与具有固定喷嘴的喷射器相比，喷射器效率ηe就大大地降低了。在此，为了防止产生气泡，致冷剂在喷嘴410中被减压到高于致冷剂的饱和蒸汽压力。当然，由于在饱和蒸汽压附近减压，绝热热降(焓改变量)很小。因此，喷射器400很难恢复到足够的能量。此外，喷射器400的泵作用很小，不能将足够量的致冷剂循环到蒸发器30中。
根据本发明的第一实施方式，在喉部41a的上游边，致冷剂被减压成气-液两相致冷剂。因此，可以避免致冷剂节流到超过必要的程度，有效地改善了喷射器的效率。
第二实施方式
在上述第一实施方式中，如图3B所示，喷嘴41的内壁表面形成两级锥形以具有两个锥角α1、α2，所以内径尺寸d1向喉部41a方向减小。当然，在第二实施方式中，如图8所示，内壁表面具有向喉部41a方向逐渐减小的锥角，并形成非台阶锥形形状，从而使内径尺寸d1向喉部41a方向减小。相应地，致冷剂通道的横截面面积在喷嘴41中平滑连续地变化，并进一步限制了致冷剂流中扰动的产生。
在第二实施方式中，其它部分类似于上述第一实施方式的部分。相应地，与第一实施方式相似，致冷剂在喉部41a的上游端减压成气-液两相状态。
第三实施方式
在第三实施方式中，如图9A、9B所示，喷嘴41的内壁表面形成平滑的曲线表面，以便致冷剂在自喉部41a的上游减压成气-液相状态。在图9A、9B中，41d表示喉部41a的上游区部分，其中内径尺寸d1向喉部41a方向减小。此外，喷嘴41、混合部分42和扩散管43设定在喷射器40中以具有图9B所示的截面面积。
在第三实施方式中，其它部分类似于上述第一实施方式的部分。相应地，与第一实施方式相似，致冷剂在喉部41a的上游边减压成气-液两相状态。
尽管本发明在参照附图的情况下通过优选实施方式进行了充分地说明，但有必要说明的是，本领域专业技术人员应当理解本发明可能有各种变化和更改形式。
例如，在本发明上述实施方式中，要设定针阀44的顶端形状和喷嘴41的内壁形状以便在自喉部41a的上游形成节流部分41c，而致冷剂在喉部41a的上游减压成气-液致冷剂。但是，本发明并不仅限于这种方式，也可以只确定针阀44的顶端形状和喷嘴41的内壁形状，以使致冷剂在自喉部41a的上游减压成气-液两相致冷剂。在上述实施方式中，高压致冷剂的压力作为与致冷剂循环中对应于致冷剂压力的物理值检测，而致动器45基于检测到的致冷剂压力控制。当然，在本发明中，致动器45也可以基于对应于致冷剂压力的物理值控制，如高压致冷剂的温度、用于水加热器中水的温度和流进喷嘴41中的致冷剂量。
在上述实施方式中，可以控制喷嘴41的节流度以便将高压致冷剂设定在预定的压力。当然，例如，也可以控制节流度以便设定散热器20的加热性能与压缩机10动力消耗的比值、即喷射器循环的性能系数高于预定值。在上述实施方式中，本发明通常应用到水加热器中。当然，本发明并不仅限于水加热器，本发明也可以应用到另外的喷射器循环如致冷器、冷冻机和空调中。致动器45可以是采用惰性气体压力的机械致动器，或可以是采用压电元件的非电磁电致动器。例如，电致动器是步进电机或线性电磁电机。
应当理解，上述变化和更改都落入由本发明的权利要求所限定的范围中。

Claims (10)

1.一种用于致冷剂循环的喷射器减压装置，所述致冷剂循环包括用于由压缩机(10)压缩的致冷剂散热的散热器(20)和用于减压后蒸发致冷剂的蒸发器(30)，喷射器减压装置包括：
喷嘴(41)，其内壁形成致冷剂通道，所述喷嘴用于通过将致冷剂的压力能量转换为致冷剂的速度能量减压和膨胀来自散热器的致冷剂，喷嘴包括在喷嘴的致冷剂通道中具有最小横截面面积的喉部(41a)和设置成邻接位于致冷剂流中的上游方向的所述喉部(41a)的膨胀部分(41b)，其中所述膨胀部分的横截面面积在致冷剂流中向下游方向增加；
增压部分(42、43)，其设置成通过将致冷剂的速度能量转换为致冷剂压力能量来增加致冷剂的压力，同时混合从喷嘴中喷射出的致冷剂和从蒸发器中吸收的致冷剂；和
针阀(44)，其设置成可以在喷嘴的致冷剂通道中沿喷嘴轴向移动，用以调节喷嘴致冷剂通道的开口程度，
所述针阀具有朝向针阀的下游端呈锥形的下游部分，以使针阀的下游部分的横截面面积向针阀的下游端减少，其中：
所述针阀设置在所述喷嘴的致冷剂通道中以形成节流部分，所述节流部分在所述针阀和所述喷嘴的内壁之间的空间中具有最小的横截面积；以及
所述针阀和所述喷嘴的内壁设置成以使所述节流部分定位在致冷剂流中自所述喉部的上游。
2.根据权利要求1所述的喷射器减压装置，其特征在于针阀具有下游端，其设置成可以在自喉部的上游区域中沿所述喷嘴的轴向方向在喷嘴的致冷剂通道中移动。
3.根据权利要求1所述的喷射器减压装置，其特征在于：
喷嘴的内壁形成具有自喉部的上游至少有两个不同锥角的近似圆锥的形状；和
所述喷嘴的内壁向所述喉部方向径向尺寸减小。
4.根据权利要求1所述的喷射器减压装置，其特征在于：
喷嘴的内壁的径向尺寸自喷嘴的上游端向喉部减小并自喉部向喷嘴的下游增加。
5.根据权利要求1至4中任何一项所述的喷射器减压装置，还包括：
用于在喷嘴的致冷剂通道中移动针阀的电致动器(45)。
6.根据权利要求5所述的喷射器减压装置，还包括：
用于检测在致冷剂循环中与致冷剂压力相关的物理值的检测装置；和
用于在检测装置检测到的物理值的基础上控制操作电致动器的控制器。
7.根据权利要求5所述的喷射器减压装置，其特征在于电致动器是步进电机。
8.根据权利要求5所述的喷射器减压装置，其特征在于电致动器是线性电磁电机。
9.根据权利要求1至4中任何一项所述的喷射器减压装置，其特征在于散热器中致冷剂的压力等于或高于致冷剂的临界压力。
10.根据权利要求1至4中任何一项所述的喷射器减压装置，其特征在于致冷剂为二氧化碳。
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