DE10349283A1 - Ejektor mit drosselungsvariabler Düse und Ejektorkreislauf unter Verwendung derselben - Google Patents

Ejektor mit drosselungsvariabler Düse und Ejektorkreislauf unter Verwendung derselben Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ejektor (40) mit einer Düse (41) und einem Nadelventil (44), das in verjüngter Form gebildet ist. Das Nadelventil (44) steuert den Drosselöffnungsgrad der Düse ausgehend von einem minimalen Grad bis auf einen maximalen Grad, während ein Endabschnitt des Nadelventils auf der stromabwärtigen Seite in Bezug auf einen Verengungsabschnitt (41a) der Düse zu liegen kommt. Die Querschnittsfläche des Düsendiffusors (41b) ist außerdem im Wesentlichen konstant stromabwärts von dem Verengungsabschnitt gebildet. Eine Querschnittsfläche eines großen Kältemitteldurchlasses, festgelegt durch eine Innenfläche der Düse und das Nadelventil, wird in Übereinstimmung mit der verjüngten Form des Nadelventils allmählich größer. Ein mit raschem Aufweiten bzw. größer werden verbundener Druckverlust kann deshalb unterbunden werden. Der Drosselöffnungsgrad der Düse kann hierdurch gesteuert werden, während der Wirkungsgrad der Düse und des Ejektors verbessert ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ejektor (siehe JIS Z 8126 Nummer 2. 1. 2. 3) zum Übertragen eines Fluids durch Mitreißfunktion eines Treiberfluids, das unter hoher Geschwindigkeit ausgestrahlt wird, und einen Ejektorkreislauf unter Verwendung des Ejektors. Der Ejektor weist eine drosselungsvariable Düse auf.
  • In einem Ejektorkreislauf zirkuliert ein niederdruckseitiges Kältemittel (d. h., Kältemittel in einem Verdampfer) durch Pumpbetrieb eines Ejektors, wie allgemein bekannt. Ein Ansaugdruck von Kältemittel, das in einen Verdichter gesaugt werden soll, wird erhöht, während Expansionsenergie in Druckenergie in dem Ejektor derart umgesetzt wird, dass der Energieverbrauch des Verdichters verringert wird. Wenn jedoch der Energieumsetzwirkungsgrad in dem Ejektor (d. h., der Ejektorwirkungsgrad) verringert wird, kann der Ansaugdruck des Verdichters in dem Ejektor nicht ausreichend erhöht werden und der Energieverbrauch des Verdichters kann nicht ausreichend verringert werden. Außerdem kann eine ausreichende Kältemittelmenge in dem Verdampfer nicht umgewälzt werden.
  • Wenn andererseits eine Düse in dem Ejektor eine solche vom feststehenden Typ ist (eine Düse mit unveränderlicher Drosselung), zeigt die in der Düse strömende Kältemittelmenge eine Schwankung und der Düsenwirkungsgrad und der Ejektorwirkungsgrad variieren in Übereinstimmung mit dieser Schwankung. Der Düsenwirkungsgrad ist dabei ein Umsetzungswirkungsgrad, wenn die Druckenergie in Geschwindigkeitsenergie in der Düse umgesetzt wird. Idealerweise wird ein Drosselöffnungsgrad der Düse bevorzugt in Übereinstimmung mit einem Kältemitteldurchsatz variabel gesteuert. Wenn jedoch in Übereinstimmung mit Experimenten durch die Erfinder der vorliegenden Anmeldung der Drosselwirkungsgrad der Düse nicht einfach geändert wird, kann der Drosselwirkungsgrad beträchtlich beeinträchtigt bzw. vermindert sein.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Ejektor zu schaffen, dessen Drosselöffnungsgrad unter Erhöhung des Düsenwirkungsgrads gesteuert werden kann.
  • In Übereinstimmung mit einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Ejektor eine Düse mit einer Innenwandfläche zum Festlegen eines Fluiddurchlasses, durch den ein Treiberfluid strömt, einen Druckerzeugungsabschnitt, in dem ein Fluid durch Mitreißen durch eine Strahlströmung des Treiberfluids angesaugt wird, das von der Düse ausgestrahlt und mit dem Treiberfluid gemischt wird, das aus der Düse ausgestrahlt wird, und ein Nadelventil zum Ändern eines Drosselöffnungsgrad des Fluiddurchlasses in der Düse. Die Düse umfasst ferner einen Veränderungsabschnitt mit einer Querschnittsfläche (d. h., einen Innendurchmesser), der in dem Fluiddurchlass am kleinsten ist, und das Nadelventil ist derart angeordnet, dass es in axialer Richtung in dem Fluiddurchlass der Düse verschiebbar ist. Außerdem weist das Nadelventil einen Endabschnitt auf, der in verjüngter Form derart gebildet ist, dass eine Querschnittsfläche des Nadelventils in Richtung auf das Vorderende des Nadelventils abnimmt, der Endabschnitt des Nadelventils eine stromabwärtige Seite des Verjüngungsabschnitts in Strömungsrichtung des Antriebsfluids zumindest dann erreicht, wenn der Drosselöffnungsgrad minimal ist, und der Fluiddurchlass der Düse eine im Wesent lichen konstante Querschnittsfläche in einem stromabwärtigen Abschnitt stromabwärts von dem Verengungsabschnitt aufweist.
  • Eine Querschnittsfläche bzw. ein Querschnitt eines (relativ) großen Kältemitteldurchlasses, der durch eine Innenwandfläche der Düse und das Nadelventil im stromabwärtigen Abschnitt festgelegt ist, wird allmählich größer in Übereinstimmung mit der verjüngten Form des Nadelventils. Dadurch kann ein Druckverlust auf Grund einer raschen Expansion bzw. Vergrößerung des Durchlassquerschnitts in der Düse verhindert werden. Dadurch kann der Drosselöffnungsgrad der Düse gesteuert werden, während der Düsenwirkungsgrad verbessert ist. Der Fluiddurchlass der Düse weist eine im Wesentlichen konstante Querschnittsfläche in einem stromabwärtigen Abschnitt stromabwärts von dem Verengungsabschnitt auf. Es besteht deshalb kein Bedarf daran, einen Diffusorabschnitt mit allmählich größer werdendem Innendurchmesser zu bilden. Die Düse mit dem Verengungsabschnitt kann dadurch problemlos gebildet werden.
  • In Übereinstimmung mit einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Fluiddurchlass in verjüngter Form mit einer Querschnittsfläche gebildet, die mit einem Verjüngungswinkel Θ1 in Richtung zum Auslass des Fluids von einer stromabwärtigen Seite des Drosselabschnitts zu zumindest dem Verendungsabschnitt allmählich kleiner wird, wobei der Verjüngungswinkel Θ1 des Fluiddurchlasses kleiner als ein Verjüngungswinkel Θ2 des verjüngten Endabschnitts des Nadelventils ist. Die Querschnittsfläche des (relativ) großen Kältemitteldurchlasses, der festgelegt ist durch die Innenwandfläche der Düse und dem Nadelventil in dem stromabwärtigen Abschnitt, kann dadurch allmählich in Übereinstimmung mit der verjüngten Form des Nadelventils größer werden. In der vor liegenden Erfindung kann der Fluiddurchlass in mehrstufiger verjüngter Form, in mehrstufigen Schritten verjüngt gebildet sein.
  • Bevorzugt weist der Verengungsabschnitt eine Innenumfangsfläche auf, die in gekrümmter Form gebildet ist. In diesem Fall kann die Querschnittsfläche des Fluiddurchlasses kontinuierlich gleichmäßig geändert werden. Stärker bevorzugt erreicht das obere Ende des Nadelventils die stromabwärtige Seite des Fluidstroms unter Bezug auf den Verengungsabschnitt selbst dann, wenn der Drosselöffnungsgrad maximal ist. Der Endabschnitt des Nadelventils kann in konischer verjüngter Form gebildet werden bzw. in Form einer hängenden Glocke.
  • Ferner kann der Ejektor gemäß der vorliegenden Erfindung für einen Ejektorkreislauf wirksam eingesetzt werden. In diesem Fall dekomprimiert die Düse des Ejektors Kältemittel, das aus einem Hochdruckwärmetauscher strömt, und das Kältemittel in einem Verdampfer (Niederdruckwärmetauscher) wird in einem Druckerzeugungsabschnitt gesaugt durch Mitreißen durch einen Strahlstrom des Kältemittels, der aus der Düse ausgestrahlt und mit dem Kältemittel gemischt wird, das aus der Düse in dem Druckerzeugungsabschnitt gemischt wird. In diesem Fall kann der Öffnungsgrad der Düse gesteuert werden, ohne den Wirkungsgrad der Düse und denjenigen des Ejektors zu verringern. Der Ejektorkreislauf kann deshalb wirksam betrieben werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert; in dieser zeigen:
  • 1 schematisch einen Ejektorkreislauf in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 2A schematisch im Schnitt einen Ejektor in Übereinstimmung mit der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und
  • 2B schematisch vergrößert einen Teil einer Düse des Ejektors in 2A,
  • 3 ein Mollier-Diagramm (p-h-Diagramm) unter Darstellung der Beziehung zwischen einem Kältemitteldruck und einer Enthalpie in dem Ejektorkreislauf zur Erläuterung der Arbeitsweise des Ejektorkreislaufs,
  • 4 schematisch eine Ansicht zur Erläuterung der Wirkung des Ejektors in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform,
  • 5 schematisch im Schnitt ein Herstellungsverfahren des Ejektors in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform,
  • 6 schematisch im Schnitt einen Ejektor in Übereinstimmung mit einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 7 schematisch im Schnitt einen Ejektor in Übereinstimmung mit einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 8 schematisch eine Ansicht zur Erläuterung der Wirkung des Ejektors in Übereinstimmung mit der dritten Ausführungsform,
  • 9 schematisch im Schnitt einen Ejektor in Übereinstimmung mit einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
  • 10 schematisch eine Erläuterungsansicht der Form eines Endabschnitts eines Nadelventils in Übereinstimmung mit einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, 11 schematisch im Schnitt einen Ejektor in Übereinstimmung mit dem Stand der Technik,
  • 12 schematisch eine Ansicht zur Erläuterung eines Problems beim Ejektorvorgang gemäß dem Stand der Technik, und
  • 13 schematisch im Schnitt eine Ansicht zur Erläuterung eines Problems beim Herstellungsverfahren des Ejektors gemäß dem Stand der Technik.
  • (Erste Ausführungsform)
  • Ein Ejektor gemäß dieser Ausführungsform in Bezug auf die vorliegende Erfindung kommt typischerweise in einem Ejektorkreislauf einer Fahrzeugklimaanlage zum Einsatz.
  • 1 zeigt schematisch einen Ejektorkreislauf 1 unter Verwendung von Kohlendioxid als Kältemittel. Ein Verdichter 10 ist ein solcher variabler Verdrängung zum Ansaugen und Verdichten von Kältemittel und er wird durch einen Fahrzeugmotor angetrieben. Die Verdrängungskapazität des Verdichters 10 wird derart gesteuert, dass die Temperatur bzw. der Druck in dem Verdampfer 30 (nachfolgend erläutert) innerhalb eines vorbestimmten Bereichs gesteuert wird.
  • Bei einem Radiator 20 handelt es sich um einen hochdruckseitigen Wärmetauscher zum Kühlen von Kältemittel durch Durchführen eines Wärmetausches zwischen dem Kältemittel, das aus dem Verdichter 10 ausgetragen wird, und Außenluft (d. h., Luft außerhalb einer Fahrgastzelle). Bei dem Verdampfer 30 handelt es sich um einen niederdruckseitigen Wärmetauscher zum Kühlen von Luft, die in Richtung zur Fahrgastzelle geblasen werden soll, durch Durchführen eines Wärmetausches zwischen Luft, die in Richtung zur Fahrgastzelle geblasen werden soll, und flüssigem Kältemittel unter Verdampfen des flüssigen Kältemittels.
  • Der Ejektor 40 saugt gasförmiges Kältemittel an, das im Verdampfer 30 verdampft wurde, während das Kältemittel dekompri miert und expandiert wird, das ausgehend vom Radiator 20 strömt, und er erhöht den Ansaugdruck des Kältemittels, das in den Verdichter 10 gesaugt werden soll, durch Umsetzen von Expansionsenergie in Druckenergie. Näheres ist nachfolgend erläutert.
  • Aus dem Ejektor 40 strömendes Kältemittel strömt in einen Gas-/Flüssigkeitsseparator 50. Der Gas-/Flüssigkeitsseparator 50 trennt das zuströmende Kältemittel in gasförmiges Kältemittel und flüssiges Kältemittel und er wird verwendet, um das flüssige Kältemittel zu sammeln. Eine Auslassöffnung für gasförmiges Kältemittel des Gas-/Flüssigkeitsseparators 50 ist mit einem Ansaugeinlass des Verdichters 10 verbunden und eine Auslassöffnung für flüssiges Kältemittel ist mit einem Einlass des Verdampfers 30 verbunden. Eine Drossel 60 bildet eine Dekompressionseinrichtung zum Dekomprimieren von flüssigem Kältemittel, das aus dem Gas-/Flüssigkeitsseparator 50 ausströmt.
  • Nunmehr wird der Ejektor näher erläutert. Wie in 2 gezeigt, umfasst der Ejektor 40 eine Düse 41, einen Mischabschnitt 42 und einen Diffusor 43 u. dgl. Die Düse 41 setzt Druckenergie des Hochdruckkältemittels in Geschwindigkeitsenergie des Kältemittels um und dekomprimiert und expandiert das Kältemittel isentropisch. Der Mischabschnitt 42 mischt Hochgeschwindigkeitskältemittel, das aus der Düse 41 ausgestrahlt wird, mit gasförmigem Kältemittel, das ausgehend vom Verdampfer 30 angesaugt wird. Das in dem Verdampfer 30 verdampfte gasförmige Kältemittel wird durch Mitreißfunktion des Hochgeschwindigkeitskältemittelstroms angesaugt, der aus der Düse 41 ausgestrahlt bzw. ausgestoßen wird. Der Diffusor 43 mischt außerdem das Kältemittel, das aus der Düse 41 ausgestrahlt wird, mit dem Kältemittel, das aus dem Verdampfer 30 angesaugt wird, und setzt die Geschwindigkeitsenergie des gemischten Kältemittels in Druckenergie um, um den in den Verdichter 10 anzusaugenden Kältemitteldruck zu erhöhen.
  • Der aus der Düse 41 ausgestrahlte Kältemittelstrom und der in dem Ejektor 40 aus dem Verdampfer 30 angesaugte Kältemittelstrom werden in dem Mischabschnitt 42 gemischt, während die Summe beider Impulse beibehalten wird. Der statische Druck des Kältemittels nimmt in dem Mischabschnitt 42 hierdurch zu. Andererseits wird der dynamische Druck des Kältemittels in den statischen Druck umgesetzt, indem die Querschnittsfläche des Kältemitteldurchlasses in dem Diffusor 43 allmählich größer wird. Dadurch nimmt der Kältemitteldruck sowohl im Mischabschnitt 42 wie im Diffusor 43 in dem Ejektor 40 zu. Der Mischabschnitt 42 und der Diffusor 43 werden deshalb allgemein als Druckerzeugungsabschnitt bezeichnet. D. h., bevorzugt nimmt der Kältemitteldruck in dem Mischabschnitt 42 so zu, dass die Summe der Impulse der beiden Arten von Kältemittelströmen beibehalten wird und der Kältemitteldruck in dem Diffusor 43 derart zunimmt, dass in einem idealen Ejektor 40 die Energie konserviert bzw. beibehalten wird.
  • Bei der Düse 41 handelt es sich um eine Laval-Düse (siehe "Fluid Engineering", veröffentlicht durch die Tokyo University Publication). Die Laval-Düse weist einen Verengungsabschnitt 41a auf, in dem der Durchlassquerschnitt des Kältemitteldurchlasses, festgelegt durch eine Innenwandfläche der Düse 41, auf halber Strecke stark bzw. nahezu vollständig verringert ist, und durch einen Düsendiffusor 41b hinter dem Verengungsabschnitt 41a. Ein merklicher bzw. großer Kältemitteldurchlass ist durch die Innenwandfläche der Düse 41 und ein Nadelventil 44 festgelegt. Der Drosselöffnungsgrad der Düse 41 (d. h., die minimale Querschnittsfläche des im We sentlichen minimalen Kältemitteldurchlasses) wird durch das Nadelventil 44 gesteuert, das durch ein Stellorgan 45 in der Düse 41 in axialer Richtung der Düse 41 verschoben wird. In dieser Ausführungsform sind die Düse 41 und das Nadelventil 44 derart vorgesehen, dass die Querschnittsfläche des wesentlichen bzw. großen Kältemitteldurchlasses in dem Diffusor 41b zur stromabwärtigen Seite des Verengungsabschnitt 41a allmählich größer wird.
  • Mehr im Einzelnen ist der Innendurchmesser des Kältemitteldurchlasses in der Düse 41 auf der stromabwärtigen Seite des Kältemittelstroms in Bezug auf den Verengungsabschnitt 41a, d. h., der Innendurchmesser des Düsendiffusors 41b (d. h., die Querschnittsfläche des Kältemitteldurchlasses in dem Düsendiffusor 41b) ist in etwa konstant gebildet. Ein Endabschnitt des Nadelventils 44 ist außerdem in einer konischen verjüngten Form gebildet, derer Querschnittsfläche in Richtung zum oberen Ende (stromabwärtigen Ende) kleiner wird. Das Nadelventil 44 steuert die Drosselöffnung ausgehend von einem minimalen Grad bis hin zu einem maximalen Grad innerhalb eines Bereichs, in dem der Endabschnitt des Nadelventils 44 auf der stromabwärtigen Seite des Kältemittelstroms in Bezug auf den Verengungsabschnitt 41a zu liegen kommt.
  • In dieser Ausführungsform ist der Innendurchmesser des Düsendiffusors 41b derart konstant gemacht, dass eine Stelle bzw. Position eines Drosselabschnitts 41c äquivalent zu einer Stelle bzw. Position bzw. Lage des Verengungsabschnitts 41a ist. Bei dem Drosselabschnitt 41c handelt es sich um einen Abschnitt mit minimaler Querschnittsfläche in dem großen bzw. wesentlichen Kältemitteldurchlass, der durch das Nadelventil 44 und die Innenwandfläche der Düse 41 festgelegt ist.
  • In der vorliegenden Ausführungsform wird ein elektrisches Stellorgan, wie etwa ein Schrittmotor mit Gewindemechanismus bzw. ein Linearsolenoid o. dgl. als Stellorgan 45 verwendet. Eine Temperatur der Hochdruckseite des Kältemittels wird durch einen (nicht gezeigten) Temperatursensor ermittelt und der Drosselöffnungsgrad der Düse 41 wird derart gesteuert, dass der Druck des hochdruckseitigen Kältemittels, ermittelt durch einen (nicht gezeigten) Drucksensor an einen Zieldruck angenähert bzw. approximiert wird, der durch die Temperatur ermittelt wird, die durch den Temperatursensor festgestellt wird.
  • Der Zieldruck des hochdruckseitigen Kältemittels wird dabei derart gewählt, dass der Leistungskoeffizient des Ejektorkreislaufs in Bezug auf die Temperatur des hochdruckseitigen Kältemittels maximal wird. In dieser in 3 gezeigten Ausführungsform wird dann, wenn die Last hoch ist, der Drosselöffnungsgrad der Düse 41 derart gesteuert, dass der Druck des Hochdruckkältemittels, das in die Düse 41 strömt, auf einen höheren Wert als den kritischen Druck des Kältemittels erhöht wird. Wenn die Wärmelast gering ist, wird der Drosselöffnungsgrad der Düse 41 derart gesteuert, dass der Druck des Hochdruckkältemittels, das in die Düse 41 strömt, einen vorbestimmten Superkühlgrad unter einem Zustand hat, in dem der Druck des Hochdruckkältemittels niedriger als sein kritischer Druck ist.
  • Nunmehr wird die allgemeine Arbeitsweise des Ejektorkreislaufs näher erläutert. In dem Ejektorkreislauf bezeichnen die Bezugsziffern C1 – C9 in 3 Kältemittelzustände in Positionen, die durch Bezugsziffern C1 – C9 bezeichnet sind, wie in 1 gezeigt. Aus dem Verdichter 10 ausgetragenes Kältemittel zirkuliert zum Radiator 20. In dem Radiator 20 gekühl tes Kältemittel wird in der Düse 41 des Ejektors 40 isentropisch dekomprimiert und expandiert und strömt in den Mischabschnitt 42 mit einer Geschwindigkeit, die größer ist als die Schallgeschwindigkeit. In dem Verdampfer 30 verdampftes Kältemittel wird in dem Mischabschnitt 42 durch einen Pumpvorgang gesaugt, der durch die Mitreißfunktion mit Hochgeschwindigkeitskältemittel hervorgerufen ist, das in dem Mischabschnitt 42 strömt. Niederdruckseitiges Kältemittel strömt deshalb in der Abfolge Gas-/Flüssigkeitsseparator 50 m Drossel 60 m Verdampfer 30 m Druckerzeugungsabschnitt 42, 43 des Ejektors 4.0 m Gas-/Flüssigkeitsseparator 50. Andererseits werden aus dem Verdampfer 30 gesaugtes Kältemittel (Saugstrom) und aus der Düse 41 ausgetragenes Kältemittel (Treiberstrom) in dem Mischabschnitt 42 gemischt, während sein dynamischer Druck in statischen Druck in dem Diffusor 43 umgesetzt wird, woraufhin das Kältemittel zum Gas- /Flüssigkeitsseparator 50 rückgeführt wird.
  • Nunmehr werden die Eigenschaften der vorliegenden Erfindung näher erläutert. In dieser Ausführungsform ist der Endabschnitt des Nadelventils 44 in verjüngter Form so gebildet, dass es sich ausgehend von seinem Querschnittsabschnitt in Richtung zum oberen Ende bzw. Vorderende kleiner wird. Zumindest dann, wenn der Drosselgrad minimal gewählt ist, erreicht der Endabschnitt des Nadelventils 44 die stromabwärtige Seite des Kältemittelstroms in Bezug auf den Verengungsabschnitt 41a. Die Querschnittsfläche des Düsendiffusor 41b ist außerdem in etwa konstant, so dass die Querschnittsfläche S des wesentlichen bzw. großen Kältemitteldurchlasses des Düsendiffusors 41b in Richtung auf das stromabwärtige Ende in Übereinstimmung mit der Verjüngungsform des Nadelventils 44 allmählich größer wird, wie in 4 gezeigt. Ein rasches Expandieren bzw. sich Erweitern des wesentlichen bzw. großen Kältemitteldurchlasses hinter dem Verengungsabschnitt 41a kann dadurch unterbunden werden. Der Drosselöffnungsgrad der Düse 41 kann deshalb ohne Verringern des Düsenwirkungsgrads und des Ejektorwirkungsgrads gesteuert werden.
  • 11 zeigt ein Vergleichsbeispiel einer Düse 141 mit variabler Drossel bzw. variablem Drosselgrad. Die Düse 141 mit variabler Drosselung ist eine Laval-Düse mit einem Verengungsabschnitt 141a, der eine Querschnittsfläche aufweist, die in dem Kältemitteldurchlass der Düse 141 am kleinsten ist, mit einem Düsendiffusor 141b, dessen Querschnittsfläche im Kältemitteldurchlass in Richtung zur stromabwärtigen Seite hinter dem Verengungsabschnitt 141a allmählich größer wird, und mit einem Nadelventil 144, das einen Endabschnitt in Form eines verjüngten Konus aufweist. Die Düse 141 mit variablem Drosselgrad ist jedoch mit dem nachfolgend genannten Problem behaftet.
  • Wie aus 12 hervorgeht, ändert sich die Querschnittsfläche S eines wesentlichen bzw. großen Kältemitteldurchlasses in der Düse 141 rasch in der B-C-Fläche bzw. in dem B-C-Bereich in axialer Richtung. Die Außenumfangsfläche des Nadelventils 144 ist stark an eine Innenumfangsfläche der Düse 141 in einem Drosselabschnitt B angenähert. Ein Punkt C entspricht dem oberen Ende bzw. Vorderende des Nadelventils 144. In diesem Bereich nimmt die Querschnittsfläche des großen bzw. wesentlichen Kältemitteldurchlasses ausgehend vom Drosselabschnitt D zu dem Punkt C rasch zu im Vergleich zu dem C-B-Bereich, der stromabwärts in dem Drosselabschnitt B zu liegen kommt. Ein Druckverlust wird deshalb durch die rasche Expansion bzw. Aufweitung hervorgerufen, so dass der Düsenwirkungsgrad und der Ejektorwirkungsgrad beeinträchtigt sind.
  • Wenn außerdem, wie in 13 gezeigt, die Düse 141 durch Sintern o. dgl. hergestellt wird, wird ein Stempel bzw. ein Ziehteil 100 ausgehend von der Einlassseite der Düse 141 eingeführt und ein Stempel bzw. Ziehteil 101 wird ausgehend von der Auslassseite der Düse 141 eingeführt, um in dem Verengungsabschnitt 141a in Anlage zu gelangen. Bei dem Verengungsabschnitt 141a handelt es sich um einen Abschnitt, der in der Düse 141 besonders genau gefertigt werden muss. Es ist jedoch schwierig, eine hohe Fertigungsgenauigkeit durch das Herstellungsverfahren zu erzielen, wie etwa durch das zur Anlage bringen der beiden Stempel 100, 101 und die Nutzausbeute der Düse 141 ist dadurch deutlich verringert. Wenn die Düse 141 durch maschinelle Bearbeitung hergestellt wird, muss ein Bohrvorgang durchgeführt werden ausgehend von der Einlassseite der Düse 141 und der Auslassseite der Düse 141. Wie bie bei der Herstellung der Düse 141 durch einen Sintervorgang, ist es schwierig, die Fertigungsgenauigkeit im Verengungsabschnitt 141a beizubehalten und die Nutzausbeute der Düse 141 ist möglicherweise ebenfalls verringert.
  • Die Querschnittsfläche des Kältemitteldurchlasses in dem Düsendiffusor 41b ist bei der vorliegenden Ausführungsform hingegen nahezu konstant. Wenn deshalb die Düse 41 durch Sintern o. dgl. hergestellt wird, wie in 5 gezeigt, kann der Kältemitteldurchlass in der Düse 41 durch einen Stempel bzw. ein Ziehteil 100 hergestellt werden, das ausgehend vom Einlass der Düse 41 eingeführt wird. Eine hohe Fertigungsgenauigkeit kann deshalb für den Verengungsabschnitt 41a problemlos beibehalten werden, so dass die Nutzausbeute der Düse 41 erhöht sein kann. Wenn die Düse 41 durch maschinelle Bearbeitung hergestellt wird, kann der Bohrvorgang ausgehend von der Einlassseite der Düse 41 zur Bildung des Kältemitteldurchlasses durchgeführt werden. Hohe Fertigungsgenauigkeit für den Verengungsabschnitt 41a kann deshalb problemlos beibehalten werden, so dass die Nutzausbeute der Düse 41 erhöht sein kann.
  • In Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform besteht keine Notwendigkeit dafür, den Diffusorabschnitt bezüglich seines Innendurchmessers allmählich größer zu machen, folgend bzw. auf den bzw. hinter dem Verengungsabschnitt 41a. Die Düse 41 kann deshalb problemlos gefertigt werden und die Herstellungskosten für die Düse 41 in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung können verringert sein, während hohe Fertigungsgenauigkeit beibehalten wird. Der Drosselöffnungsgrad der Düse 41 kann außerdem gesteuert werden, während der Düsenwirkungsgrad und der Ejektorwirkungsgrad verbessert werden können.
  • (Zweite Ausführungsform)
  • In der in 6 gezeigten zweiten Ausführungsform ist die Form der Innenwand des Verengungsabschnitts 41a der Düse 41 in Übereinstimmung mit der ersten Ausführungsform mit gekrümmter Oberfläche gebildet, so dass die Querschnittsfläche des Kältemitteldurchlasses ausgehend vom Kältemitteleinlass der Düse 41 zum Verengungsabschnitt 41a kontinuierlich und gleichmäßig variiert. Eine Wirbelstromerzeugung kann dadurch auf der stromabwärtigen Seite in der Nähe des Verengungsabschnitts 41a verringert werden, so dass ein Verlust, wie etwa ein Wirbelstromverlust o. dgl., klein gemacht werden kann. Der Düsenwirkungsgrad kann außerdem erhöht werden. In der zweiten Ausführungsform sind die übrigen Teile ähnlich zu denjenigen der vorstehend erläuterten ersten Ausführungsform.
  • (Dritte Ausführungsform)
  • In der vorstehend erläuterten ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Querschnittsfläche des Kältemitteldurchlasses mit einem konstanten Verjüngungswinkel allmählich kleiner ausgehend von dem Kältemittelmitteleinlass der Düse 41 zum Verengungsabschnitt 41a. In dieser Ausführungsform und wie in 7 gezeigt, ist der Verjüngungswinkel Θ 1 auf einer Seite des Verengungsabschnitts 41a der Düse 41 jedoch kleiner gewählt als der Verjüngungswinkel Θ 0 auf der Kältemitteleinlassseite der Düse 41 und ein Verjüngungswinkel Θ 2 des Endabschnitts des Nadelventils 44. Das Nadelventil 44 steuert außerdem den Drosselöffnungsgrad ausgehend von einem minimalen Grad bis auf einen maximalen Grad, während zumindest das obere Ende bzw. Vorderende des Nadelventils 44 auf der stromaufwärtigen Seite des Verengungsabschnitts 41a in dem Kältemittelstrom zu liegen kommt.
  • In dieser Ausführungsform ist der Verjüngungswinkel Θ 1 des Verengungsabschnitts 41a kleiner als der Verjüngungswinkel Θ 0 der Kältemitteleinlassseite der Düse 41 und die Position des Drosselabschnitts 41c kommt auf einer stromaufwärtigen Seite des Kältemittelstroms in Bezug auf die Position des Verengungsabschnitts 41a zu liegen. Die stromaufwärtige Seite des Kältemittelstroms in Bezug auf den Verengungsabschnitt 41a hinter dem Drosselabschnitt 41c arbeitet deshalb als Teil des Düsendiffusors 41b, wie nachfolgend erläutert. Der Innendurchmesser des Kältemitteldurchlasses in der Düse 41 auf der stromabwärtigen Seite des Kältemittelstroms in Bezug auf den Verengungsabschnitt 41a ist deshalb ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform nahezu konstant. In die Düse 41 strömendes Kältemittel erhöht deshalb seine Geschwindigkeit bis auf Schallgeschwindigkeit. Die Querschnittsfläche des wesentli chen bzw. großen Kältemitteldurchlasses A nimmt stromabwärts des Drosselabschnitts 41c so zu, dass das Kältemittel teilweise siedet und seine Geschwindigkeit über die Schallgeschwindigkeit hinaus erhöht.
  • In dieser Ausführungsform ist der Verjüngungswinkel Θ 2 des Endabschnitts des Nadelventils 44 kleiner als der Verjüngungswinkel Θ 0 der Kältemitteleinlassseite der Düse 41. Diese Ausführungsform ist jedoch nicht auf diese Beziehung der Verjüngungswinkel beschränkt.
  • Nunmehr werden Eigenschaften dieser Ausführungsform näher erläutert. Zumindest dann, wenn der Drosselöffnungsgrad minimal wird, erreicht der obere Endabschnitt des Nadelventils 44 die stromabwärtige Seite des Kältemittelstroms in Bezug auf den Drosselabschnitt 41c und der Verjüngungswinkel Θ 1 auf der stromabwärtigen Seite in Bezug auf den Drosselabschnitt 41c in dem Kältemitteldurchlass der Düse 41 ist kleiner als der Verjüngungswinkel Θ 2 am Endabschnitt des Nadelventils 44. Die Querschnittsfläche S des wesentlichen bzw. großen Kältemitteldurchlasses in dem Düsendiffusor 41b erweitert sich deshalb allmählich in Übereinstimmung mit dem Verjüngungswinkel des Nadelventils 44, wie in 8 gezeigt. Ein durch rasches Aufweiten hinter dem Drosselabschnitt 41c hervorgerufener Verlust kann deshalb verringert werden und der Drosselöffnungsgrad der Düse 41 kann ohne beträchtliche Verringerung des Düsenwirkungsgrads und des Ejektorwirkungsgrads gesteuert werden.
  • Die Herstellungskosten für die Düse 41 können außerdem verringert werden, während hohe Fertigungsgenauigkeit ähnlich wie bei der ersten Ausführungsform beibehalten wird, weil ein Düsendiffusorabschnitt, dessen Innendurchmesser sich hinter dem Verengungsabschnitt 41a allmählich erweitert, nicht geduldet werden muss.
  • In der dritten Ausführungsform kann die Querschnittsfläche des Düsendiffusors 41b stromabwärts vom Verengungsabschnitt 41a allmählich konstant gemacht werden.
  • (Vierte Ausführungsform)
  • In der in 9 gezeigten vierten Ausführungsform ist die Form der Innenwand des Verengungsabschnitts 41a in der Düse 41 in Übereinstimmung mit der dritten Ausführungsform mit einer gekrümmten Oberfläche gebildet. Die Querschnittsfläche des Kältemitteldurchlasses variiert ausgehend vom Kältemitteleinlass der Düse 41 zu dem Verengungsabschnitt 41a kontinuierlich und gleichmäßig. Die Erzeugung eines Verlustes durch einen Wirbelstrom o. dgl. kann dadurch verringert werden, so dass der Düsenwirkungsgrad erhöht werden kann. In der vierten Ausführungsform sind die übrigen Teile ähnlich zu denjenigen der vorstehend erläuterten dritten Ausführungsform.
  • (Fünfte Ausführungsform)
  • In den vorstehend erläuterten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist der Endabschnitt des Nadelventils 44 in konisch verjüngter Form gebildet. In der fünften Ausführungsform kann hingegen die Endform des Nadelventils 44 so gebildet sein, wie in 10 gezeigt. Wie in 10 gezeigt, ist in der fünften Ausführungsform die Endform des Nadelventils 44 derart gebildet, dass der Differenzialwert bzw. Differenzwert zweiter Ordnung einer radialen Abmessung r relativ zu einer axialen Position X kleiner als null wird. D. h., die Form des Nadelventils 44 ist in Art einer hängenden Glocke gebildet. Die Änderungsrate des Durchmessers r wird in Richtung zu seinem Ende kleiner und die Tangente an dem Umriss des Nadelventils 44 verläuft in etwa senkrecht zur Axiallinie X.
  • (Weitere Ausführungsformen)
  • Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit ihren bevorzugten Ausführungsformen unter Bezug auf die anliegenden Zeichnungen vorstehend vollständig erläutert ist, wird bemerkt, dass sie zahlreichen Abwandlungen und Modifikationen zugänglich ist, die sich dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik ohne weiteres erschließen.
  • In den vorstehend erläuterten Ausführungsformen ist beispielsweise die vorliegende Erfindung auf eine Klimaanlage für ein Fahrzeug angewendet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die Anwendung für eine Klimaanlage beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann auf einen Kühlschrank, einen Gefrierschrank, eine Heißwasserversorgungsvorrichtung und andere Ejektorkreisläufe angewendet sein.
  • Das Stellorgan 45 ist nicht auf die in den vorstehend erläuterten Ausführungsformen gezeigten Beispiele beschränkt. Beispielsweise können ein mechanisches Stellorgan unter Verwendung von Gasdruck von einem Inertgas und ein elektromagnetisches Stellorgan, wie etwa ein elektrisches Stellorgan unter Verwendung einer Piezoeinrichtung, verwendet werden.
  • In den vorstehend genannten Ausführungsformen ist der Druck des hochdruckseitigen Kältemittels höher gewählt als der kri tische Druck des Kältemittels unter Verwendung von Kohlendioxid als Kältemittel. Das Kältemittel gemäß der vorliegenden Erfindung ist jedoch nicht auf Kohlendioxid beschränkt.
  • Chlorfluorkohlenstoffe (R134a) können als Kältemittel zum Einsatz kommen, so dass der Kältemitteldruck auf der Hochdruckseite niedriger als der kritische Druck des Kältemittels beispielsweise wird. Es können weitere Fluide als Kältemittel verwendet werden.
  • Der Kältemitteldurchlass kann außerdem mehrstufig verjüngt gebildet sein. D. h., unter Bezug auf 9 kann der Verjüngungswinkel Θ 1 auf der stromabwärtigen Seite in Bezug auf den Verengungsabschnitt 41c des Kältemitteldurchlasses der Düse 41 in mehreren Stufen bzw. mehrstufig in Richtung zum Auslass geändert sein. In diesem Fall und wie im Fall der vorstehend genannten Ausführungsformen erweitert sich die Querschnittsfläche S des wesentlichen bzw. großen Kältemitteldurchlasses in dem Düsendiffusor 41b allmählich, so dass der durch die rasche Erweiterung hinter dem Düsenabschnitt 41c hervorgerufene Verlust verringert werden kann und der Drosselöffnungsgrad der Düse 41 kann ohne beträchtliche Verringerung des Düsenwirkungsgrads und des Ejektorwirkungsgrads gesteuert werden.
  • In der vorstehend erläuterten Ausführungsform strömt das Kältemittel in dem Ejektorkreislauf durch den Ejektor. Ein anderes Fluid als Kältemittel kann jedoch in dem Ejektor verwendet werden.
  • Sämtliche der genannten Abwandlungen und Modifikationen fallen unter den Umfang der vorliegenden Erfindung, der in den anliegenden Ansprüchen festgelegt ist.

Claims (11)

  1. Ejektor, aufweisend: Eine Düse (41) mit einer Innenwandfläche zum Festlegen eines Fluiddurchlasses, durch den ein Treiberfluid strömt, wobei die Düse einen Verengungsabschnitt (41a) mit einer Querschnittsfläche aufweist, die in dem Fluiddurchlass am kleinsten ist, einen Druckerzeugungsabschnitt (42, 43), in dem ein Fluid durch Mitreißen durch einen Strahlstrom des Treiberfluids gesaugt wird, der aus der Düse ausgestrahlt wird, und mit dem Treiberfluid gemischt wird, das aus der Düse ausgestrahlt wird, und ein Nadelventil (44) zum Ändern des Drosselöffnungsgrads des Fluiddurchlasses, wobei das Nadelventil so vorgesehen ist, dass es in axialer Richtung in dem Fluiddurchlass der Düse verschoben werden kann, wobei das Nadelventil einen Endabschnitt aufweist, der in verjüngter Form derart gebildet ist, dass die Querschnittsfläche des Nadelventils in Richtung zum Vorderende des Nadelventils kleiner wird, der Endabschnitt des Nadelventils eine stromabwärtige Seite des Verengungsabschnitt in Strömungsrichtung des Treiberfluids zumindest dann erreicht, wenn der Drosselöffnungsgrad minimal ist, und der Fluiddurchlass der Düse eine im Wesentlichen konstante Querschnittsfläche in einem stromabwärtigen Abschnitt stromabwärts vom Verengungsabschnitt aufweist.
  2. Ejektor, aufweisend: Eine Düse (41) mit einer Innenwandfläche zum Festlegen eines Fluiddurchlasses, durch den ein Treiberfluid strömt, wobei die Düse einen Verengungsabschnitt (41a) mit einer Querschnittsfläche aufweist, die in dem Fluiddurchlass am kleinsten ist, einen Druckerzeugungsabschnitt (42, 43), in dem ein Fluid angesaugt wird durch Mitreißen eines Strahlstroms des Treiberfluids, der aus der Düse ausgestrahlt wird, und das mit dem Treiberfluid gemischt wird, das aus der Düse ausgestrahlt wird, und ein Nadelventil (44) zum Ändern des Drosselöffnungsgrads des Fluiddurchlasses, wobei das Nadelventil so vorgesehen ist, dass es in axialer Richtung in dem Fluiddurchlass der Düse verschoben werden kann, wobei das Nadelventil einen Endabschnitt aufweist, der in verjüngter Form derart gebildet ist, dass die Querschnittsfläche des Nadelventils in Richtung zum Vorderende des Nadelventils kleiner wird, der Endabschnitt des Nadelventils eine stromabwärtige Seite des Verengungsabschnitt in Strömungsrichtung des Treiberfluids zumindest dann erreicht, wenn der Drosselöffnungsgrad minimal ist, und der Fluiddurchlass in verjüngter Form mit einer Querschnittsfläche gebildet ist, die mit einem Verjüngungswinkel Θ 1 in Richtung zum Auslass für das Fluid von einer stromabwärtigen Seite des Drosselventils zu zumindest dem Verengungsabschnitt allmählich kleiner wird, wobei der Verjüngungswinkel Θ 1 des Fluiddurchlasses kleiner als ein Verjüngungswinkel Θ 2 des Endabschnitts des Nadelventils ist.
  3. Ejektor nach Anspruch 2, wobei der Fluiddurchlass in mehrstufig verjüngter Form gebildet ist, die mehrstufig verjüngt verläuft.
  4. Ejektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verengungsabschnitt eine Innenumfangsfläche aufweist, die mit gekrümmter Form gebildet ist.
  5. Ejektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Vorderende des Nadelventils die stromabwärtige Seite des Fluidstroms in Bezug auf den Verengungsabschnitt selbst dann erreicht, wenn der Drosselöffnungsgrad maximal ist.
  6. Ejektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Endabschnitt des Nadelventils in konisch verjüngter Form gebildet ist.
  7. Ejektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Endabschnitt des Nadelventils in Form einer hängenden Glocke gebildet ist.
  8. Ejektorkreislauf, aufweisend: Einen Verdichter (10) zum Verdichten von Kältemittel, einen hochdruckseitigen Wärmetauscher (20) zum Kühlen von aus dem Verdichter ausgetragenem Kältemittel, einen Verdampfer (30) zum Verdampfen von Niederdruckkältemittel, nachdem dieses dekomprimiert worden ist, einen Ejektor (40), aufweisend eine Düse (41) mit einer Innenwandfläche zum Festlegen eines Kältemitteldurchlasses zum Dekomprimieren von Kältemittel von dem hochdruckseitigen Wärmetauscher, wobei die Düse einen Verengungsabschnitt (41a) mit einer Querschnittsfläche aufweist, die im Kältemitteldurchlass am kleinsten ist, einen Druckerzeugungsabschnitt (42, 43), in dem Kältemittel aus dem Verdampfer angesaugt wird durch Mitreißen durch einen Strahlstrom des Kältemittels, der aus der Düse ausgestrahlt wird, und wobei es mit dem aus der Düse ausgestrahlten Kältemittel gemischt wird, und ein Nadelventil (44) zum Ändern des Drosselöffnungsgrads des Kältemitteldurchlasses in der Düse, wobei das Nadelventil in axialer Richtung in dem Kältemitteldurchlass der Düse verschiebbar ist, und einen Gas-/Flüssigkeitsseparator (50) zum Trennen von Kältemittel, das aus dem Ejektor strömt, in gasförmiges Kältemittel, das dem Verdichter zugeführt werden soll, und flüssiges Kältemittel, das dem Verdampfer zugeführt werden soll, wobei das Nadelventil einen Endabschnitt aufweist, der in verjüngter Form derart gebildet ist, dass die Querschnittsfläche des Nadelventils in Richtung zum Vorderende des Nadelventils kleiner wird, der Endabschnitt des Nadelventils eine stromabwärtige Seite des Verengungsabschnitt in Strömungsrichtung des Kältemittels zumindest dann erreicht, wenn der Drosselöffnungsgrad minimal ist, und der Kältemitteldurchlass der Düse eine im Wesentlichen konstante Querschnittsfläche in einem stromabwärtigen Abschnitt stromabwärts vom Verengungsabschnitt aufweist.
  9. Ejektorkreislauf nach Anspruch 8, wobei der Kältemitteldruck in dem hochdruckseitigen Wärmetauscher höher als der kritische Druck des Kältemittels in einer Betriebsart wird.
  10. Ejektorkreislauf nach Anspruch 8 oder 9, wobei Kohlendioxid als Kältemittel verwendet wird.
  11. Ejektorkreislauf nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Kältemitteldurchlass in verjüngter Form gebildet ist, die eine Querschnittsfläche aufweist, die durch einen Verjüngungs winkel Θ 1 in stromabwärtiger Richtung ausgehend von der stromabwärtigen Seite des Drosselabschnitts zu dem Verengungsabschnitt allmählich kleiner wird, und der Verjüngungswinkel Θ 1 des Kältemitteldurchlasses kleiner als ein Verjüngungswinkel Θ 2 des Endabschnitts des Nadelventils ist.
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