帶有節流可控噴嘴的噴射器和使用它的噴射循環的製作方法
2023-08-07 14:11:36
專利名稱：帶有節流可控噴嘴的噴射器和使用它的噴射循環的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種帶有節流可控噴嘴的噴射器和使用它的噴射循環，其中能夠控制喉部和噴嘴出口的兩個開口程度。噴射器具有流體抽吸功能，用於通過攜帶高速噴射的傳送流體來循環流體。
背景技術：
在噴射循環中，吸入壓縮機的製冷劑的壓力通過在噴射器內把膨脹能轉換成壓力能而增加，由此減少了壓縮機所消耗的動力。此外，製冷劑通過使用噴射器的抽吸功能而循環進入噴射循環的蒸發器中。然而，當噴射器的能量轉換效率，即，噴射器效率減小時，抽吸至壓縮機的製冷劑壓力不能充分地被噴射器增加。在這種情況下，壓縮機所消耗的動力不能令人滿意地減小。另一方面，噴嘴的節流度(通道開口度)在噴射器中是固定的。因此，當流入噴嘴的製冷劑的數量變化時，噴嘴效率和噴射器效率根據製冷劑流量的變化而變化。其中，當噴嘴中的壓能轉化成速度能時，噴嘴效率是噴嘴的能量轉換效率。
此外，根據本發明的發明人所做的實驗，只要噴嘴的喉部的開口度簡單變化，則垂直振動波在喉部和噴嘴的出口之間產生，並且製冷劑的壓力在它們之間迅速變化。因此，在噴嘴的出口，流體(製冷劑)是處於亞音速的狀態，並是過消耗狀態的。因此，製冷劑在噴嘴中等熵狀態不能減壓，並且噴嘴效率可大大地降低。
發明內容
考慮上述問題，本發明的目的是提供一種噴射器，其無論製冷劑的流量大小能夠充分地增加噴嘴效率。
本發明的另一個目的是提供一種使用此噴射器的噴射循環。
根據本發明，噴射器包括噴嘴和壓力增加部分，所述噴嘴用於確定其中的通道，傳送流體流過所述通道，在所述壓力增加部分，流體通過帶走從噴嘴噴出的傳送流體噴射流而被抽吸並與從噴嘴噴射的傳送流混合。在此噴射器中，噴嘴包括喉部，該喉部具有在噴嘴的通道上最小的橫截面，並且設置調節部件以調節喉部的開口度和噴嘴出口的開口度。由於喉部的開口度和噴嘴出口的開口度能夠通過調節部件控制，因此即使當流入噴嘴的傳送流體的流量變化時，仍能夠有效地限制垂直振動波的產生。因此，能夠防止引起超膨脹狀態，在所述超膨脹狀態，噴嘴的出口處的傳送流體的流速成為亞音速。因此，無論流入噴嘴的傳送流體的流量大小，噴嘴效率能夠充分增加。
優選地，調節部件包括針閥，所述針閥至少從喉部延伸至噴嘴的出口。因此，喉部的開口度和噴嘴出口的開口度都能夠容易地同時被控制。通常，針閥設置成在噴嘴的軸向上能夠移動。
本發明的噴射器能夠適合用於噴射循環，所述噴射循環包括壓縮機，其用於壓縮和排出製冷劑；第一熱交換器，其設置用於製冷從壓縮機中排放的製冷劑；氣-液分離器，其用於把製冷劑從噴射器分離成氣體製冷劑和液體製冷劑，和第二熱交換器，其設置用於蒸發氣-液分離器中的液體製冷劑。在這種情況下，第一熱交換中的製冷劑在噴嘴中被減壓，並在蒸發器中被蒸發的製冷劑被抽吸至噴射器的壓力增加部分。當在壓力增加部分製冷劑的壓力增加時，來自噴嘴的製冷劑和來自蒸發器的製冷劑在壓力增加部分混合。因此，當噴嘴效率能夠提高時，也能夠進行噴射循環。
本發明的其它目的和優點參照附圖從下面的優選實施方案的詳細描述中更容易看出，其中圖1是說明根據本發明的優選實施方案的噴射循環的示意圖；圖2A是說明根據此實施方案的噴射器的示意截面圖；圖2B時說明圖2A的噴射器的噴嘴的一部分的示意放大圖；圖3是說明在噴射循環中製冷劑壓力和焓之間的關係的莫裡爾曲線(p-h曲線)；圖4是解釋對比例中的問題的視圖；圖5是說明在本發明和對比例中噴嘴效率的曲線圖。
具體實施例方式
下面，參照附圖將說明本發明的優選實施方案。
在實施方案中，噴射循環的噴射器典型地用做空調設備。圖1所示的噴射循環中，碳氟化合物(fleon，134a)或二氧化碳等能夠用做製冷劑。在噴射循環中，壓縮機10通過從車輛發動機所獲得的動力抽吸和壓縮製冷劑。控制壓縮機10的排放容量(排放量)以至於蒸發器30的溫度或壓力在預定範圍內。設置散熱器20以冷卻從壓縮機10中排放出的製冷劑。具體地，散熱器20是高壓熱交換器，其在從壓縮機10流出的製冷劑和外部空氣之間進行熱交換。
設置蒸發器30以蒸發液體製冷劑。具體地，蒸發器30是低壓熱交換器，其通過從流過的空氣中吸收熱而使液體製冷劑蒸發。因此，流過蒸發器30的空氣被製冷，製冷了的空氣能夠吹進間隔室以冷卻間隔室。
噴射器40抽吸蒸發器30中蒸發的製冷劑，同時使從散熱器20中流出製冷劑減壓和膨脹，並通過把膨脹能量轉化成壓力能量而增加製冷劑的壓力以使其抽入壓縮機10。
氣-液分離器50把來自噴射器40的製冷劑分離成氣體製冷劑和液體製冷劑，並在那裡儲存分離了的製冷劑。氣-液分離器50包括連接至壓縮機10的抽吸端的氣體-製冷劑出口，和連接至蒸發器30的入口側的液體-製冷劑出口。節流閥60設置在氣-液分離器50的液體製冷劑出口和蒸發器30的入口側之間的製冷劑通道，因此，使從氣-液分離器50供應至蒸發器30的液體製冷劑減壓。
在噴射循環中，圖3所示的參考數字C1-C9分別說明了當二氧化碳用作製冷劑時圖1所示的參考數字C1-C9所表示的位置處的製冷劑狀態。
其次，參照圖1、2A和2B詳細地描述噴射器40的結構。如圖2所示，噴射器40包括噴嘴41，混合部分42和擴散器43。噴嘴41通過在等熵的狀態下把高壓製冷劑的壓力能轉換成速度能而使來自散熱器20的高壓製冷劑減壓並膨脹。蒸發器30的氣體製冷劑通過從噴嘴41噴射的製冷劑的高速流而抽吸至混合部分42，並且抽吸了的氣體製冷劑和噴射了的製冷劑在混合部分42中混合。擴散器43通過把製冷劑的速度能量轉換成製冷劑的壓力能量而使製冷劑的壓力增加，同時把從蒸發器30中所抽吸的氣體製冷劑和從噴嘴41所噴射的製冷劑混合。
在混合部分42中，混合從噴嘴41中所噴射的製冷劑和從蒸發器30中所抽吸的製冷劑以至於兩種製冷劑流的動力和被保存下來。因此，在混合部分42中的製冷劑的靜壓也增加了。因為在擴散器43中製冷劑通道的截面積逐漸增加，製冷劑的動壓被轉換成擴散器43中製冷劑的靜壓。所以，在混合部分42和擴散器43中製冷劑壓力都增加。因此，在此實施方案中，壓力增加部分具有混合部分42和擴散器43的構造。理論上，在噴射器40中，在混合部分42中的製冷劑壓力增加以至於兩種製冷劑流的總動力在混合部分42中被保存，並且在擴散器43中製冷劑壓力進一步增加以至於製冷劑的能量在擴散器43中保存。
噴嘴41是拉瓦爾噴嘴，其具有喉部41a和膨脹部分41b，所述膨脹部分41b在喉部41a的下遊。這裡，喉部41a的橫截面積在噴嘴41的製冷劑通道中是最小的。如圖2A所示，膨脹部分41b的內徑尺寸從喉部41a朝向噴嘴41的下遊末端(出口)逐漸增加。針閥44在噴嘴41的軸向上被致動器45移動，因此，噴嘴41的製冷劑通道的節流程度被調節。即，噴嘴41的製冷劑通道的節流程度通過針閥44的移動而調節。在此實施方案中，喉部41a的開口程度和噴嘴41的膨脹部分41b出口的開口程度同時或獨立地由調節部件(例如針閥44)控制，因此調節噴嘴41的製冷劑通道的節流程度。把單一針閥44設置成至少從喉部41a延伸至膨脹部分41b的出口，以至於噴口41a的開口程度和噴嘴41的膨脹部分41b出口的開口程度都被調節。通過適宜地調節噴口41a的開口程度和噴嘴41的膨脹部分41b出口的開口程度，能夠防止在噴口41a和噴嘴41的出口之間產生垂直振動波。因此，無論流入噴嘴41的製冷劑的流量的變化，噴嘴效率都能夠提高。
在此實施方案中，電致動器(例如線性螺管線圈電動機和包括螺旋機構的步進電動機)被用作致動器45。而且，高壓製冷劑的壓力通過壓力傳感器(未出示)檢測。然後，通過針閥41而調節噴口41a的開口程度和噴嘴41的膨脹部分41b出口的開口程度，以至於由壓力傳感器所檢測的壓力成為目標壓力，所述目標壓力基於溫度傳感器所檢測的溫度而確定。溫度傳感器設置在高壓側以檢測在噴射循環中高壓側製冷劑的溫度。設定目標壓力以使噴射循環的係數相對於噴射循環中高壓側的製冷劑溫度是最大的。如圖3所示，當二氧化碳被用作製冷劑時，高壓側製冷劑的壓力比製冷劑的臨界壓力高。在這種情況下，控制噴嘴41的製冷劑通道的開口面積以至於流入噴嘴的製冷劑的壓力等於或高於臨界壓力。另一方面，當流入噴嘴的製冷劑的壓力低於製冷劑的臨界壓力時，控制噴嘴41的製冷劑通道的開口面積以使流入噴嘴41的製冷劑具有預定的過冷度。
在此噴射循環中，製冷劑在壓縮機10中被壓縮，並被排放至散熱器20。從壓縮機10中排出的製冷劑在散熱器20中被冷卻，並且通常在等熵的狀態下在噴射器40的噴嘴41中減壓。在噴射器40的噴嘴41中製冷劑的流速被增加至等於或高於噴嘴42出口處的聲速，並流入噴射器40的混合部分42。此外，在蒸發器30中所蒸發的氣體製冷劑通過抽吸功能被抽吸進入噴射器40的混合部分42，所述抽吸功能是由於帶走從噴嘴41流入混合部分42的高速製冷劑而產生的。從蒸發器30中所抽吸的製冷劑和從噴嘴41中所噴射的製冷劑在混合部分42中混合，並在擴散器43中製冷劑的動壓被轉化成製冷劑的靜壓之後，流入氣-液分離器50。因此，低壓側製冷劑依次通過節流閥60、蒸發器30和噴射器40的壓力增加部分而從氣-液分離器50循環至氣-液分離器50。
在理想的噴嘴41中，流入噴嘴41的製冷劑從噴嘴41的入口朝向節流部分41a時被節流，並且從噴嘴41的入口朝向節流部分41a製冷劑的流速增加。然後，在喉部41a處，製冷劑處於臨界狀態，流速為馬赫(Mach)1。製冷劑通過喉部41a之後，煮沸製冷劑並在膨脹部分41b處使其膨脹，製冷劑的流速在噴嘴41的膨脹部分41b處超過Mach1.
然而，在實際的製冷劑循環中，流入噴嘴41的製冷劑流量根據空氣調節負荷而變化。因此，通常，基於最大空氣調節負荷中的最大流量來設置和製成喉部41a的通道截面和噴嘴41的膨脹部分41b的出口，並且當製冷劑流量由於減小了的空氣調節負荷而減小時，喉部41a的開口程度液被減小。在圖4所示的對比例中，當製冷劑的流量變化時，僅喉部41的開口度被控制，因為噴嘴41的出口的開口度是固定的，在膨脹部分41b的出口周圍的膨脹部分41b處製冷劑的壓力低於膨脹部分41b的出口周圍噴嘴41外部的製冷劑的壓力。因此，垂直振動波容易產生，並且在噴嘴41的出口處的製冷劑的流速成為亞音速狀態，而製冷劑在噴嘴41的出口處過膨脹。所以，在此對比例中，製冷劑在噴嘴41中在等熵情況下沒有減壓，並且隨著噴嘴41中製冷劑的流量的減少，噴嘴效率大大地減少，如圖5所示。
根據本發明，把針閥44設置在噴嘴41中的製冷劑通道上並至少延伸至噴嘴41的出口(下遊末端)。因此，通過在噴嘴41的軸向上的針閥44的移動，喉部41a的處出口的開口度和噴嘴41出口的開口度都能夠被控制。因此，即使當流入噴嘴41的製冷劑的流量在通常圖5所示的使用面積上變化時，通過控制喉部41a的處出口的開口度和噴嘴41出口的開口度能夠把噴嘴效率保持在大約最大值，如圖5所示。在圖5中，P1說明了一種狀態，在此狀態下，在空氣調節裝置中以高的載體速度進行製冷操作。即，P1說明了大的製冷負荷狀態。
在本發明中，通過針閥44和致動器45調節喉部41a的處出口的開口度和噴嘴41出口的開口度，以至於能夠防止垂直振動波在噴嘴41中產生。因此，能夠防止製冷劑由於在噴嘴的出口處的亞音速流而處於過膨脹狀態。
雖然參照附圖結合優選實施方案已充分地說明了本發明，但應該指出對那些對此技術熟悉的人來說，多種變化和修改將成為明顯的。
在上述實施方案中，本發明典型地應用於車輛空氣調節設備中。然而，本發明能夠應用於另一種噴射循環中(例如製冷器、冷凍器和水的加熱器)。致動器45可以是使用惰性氣體壓力的機械致動器或是使用壓電元件的非電磁的電致動器)。例如，電致動器是步進電動機或線性螺線管電動機。
在上述實施方案中，通過使用致動器45所操控的單一針閥44，喉部41a的處出口的開口度和噴嘴41出口的開口度同時被控制。然而，在本發明中，能夠獨立地提供控制喉部41a的處出口的開口度的閥和控制噴嘴41出口的開口度的閥。即使在這種情況下，通過適宜地控制喉部41a的處出口的開口度和噴嘴41出口的開口度，噴嘴41的減壓度能適宜地被調節，並且噴嘴效率能夠有效地提高。
應該理解在由所附的權利要求書所確定的本發明範圍內的變化和修改。
權利要求
1.一種噴射器，包括噴嘴(41)，該噴嘴用於在其中限定一個通道，傳動流體流過所述通道，該噴嘴包括喉部(41a)，所述喉部41a具有在噴嘴41的製冷劑通道中最小的橫截面積；壓力增加部分(42、43)，其中流體通過帶走從噴嘴噴出的傳送流體噴射流而被吸入並且與從噴嘴所噴射出的傳動流體混合；和調節部件(44、45)，其設置成調節喉部(41a)的開口程度和噴嘴出口的開口程度。
2.根據權利要求1所述的噴射器，其中調節部件包括針閥(44)，所述針閥(44)至少從喉部延伸至噴嘴出口。
3.根據權利要求2所述的噴射器，其中針閥設置成使其在噴嘴的軸向上能夠移動。
4.根據權利要求2和3中任一項所述的噴射器，其中噴嘴進一步包括喉部下遊的膨脹部分(41b)；和針閥至少延伸至膨脹部分的出口。
5.根據權利要求1所述的噴射器，其中調節部件包括針閥(44)，所述針閥(44)至少從喉部延伸至噴嘴的出口；和用於移動針閥的致動器(45)。
6.根據權利要求5所述的噴射器，其中針閥至少從噴嘴的入口延伸至噴嘴的出口。
7.一種噴射循環，包括用於壓縮和排出製冷劑的壓縮機(10)；第一熱交換器(20)，其設置用於製冷從壓縮機中排放的製冷劑；噴射器(40)，其包括用於膨脹和減壓從第一熱交換器流來的製冷劑的噴嘴(41)；氣-液分離器(50)，其用於把製冷劑從噴射器分離成氣體製冷劑和液體製冷劑；第二熱交換器(30)，其設置用於蒸發氣-液分離器中的液體製冷劑，其中所述噴嘴具有喉部(41a)，該喉部具有在噴嘴的製冷劑通道中最小的橫截面積；和噴射器進一步包括壓力增加部分(42、43)，其中來自蒸發器的製冷劑通過帶走從噴嘴噴出的製冷劑而被吸入並且與從噴嘴所噴射出的製冷劑混合；和調節部件(44)，該調節部件設置成調節喉部的開口程度和噴嘴出口的開口程度。
8.根據權利要求7所述的噴射器循環，其中調節部件包括針閥(44)，該針閥至少從喉部延伸至噴嘴的出口。
9.根據權利要求7所述的噴射器循環，其中針閥設置成在噴嘴的軸向上可移動以調節調節喉部的開口程度和噴嘴出口的開口程度。
10.根據權利要求7-9所述的噴射器循環，進一步包括致動器(45)，該致動器用於在噴嘴的軸向上移動針閥。
全文摘要
噴射器(40)包括具有喉部(41a)的噴嘴(41)；和針閥(44)，該針閥至少從喉部延伸至噴嘴的出口。針閥設置在噴嘴的軸向上以調節喉部的開口程度和噴嘴出口的開口程度。因此，即使當流入噴嘴的製冷劑流量變化時，通過適宜地調節喉部的開口程度和噴嘴出口的開口程度能夠防止垂直振動波產生。因此，不管制冷劑的流量的變化，能夠提高噴嘴效率。
文檔編號F04F5/48GK1470821SQ03145079
公開日2004年1月28日 申請日期2003年6月27日 優先權日2002年7月9日
發明者武內裕嗣 申請人:株式會社電裝