專利名稱：具有節(jié)流可控噴嘴的噴射器減壓裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于蒸汽壓縮制冷循環(huán)的噴射器減壓裝置。更具體地說，本發(fā)明涉及一種具有節(jié)流可控噴嘴的噴射器，其中噴嘴的節(jié)流度可以控制。
本發(fā)明的第二個目的在于可變地控制噴射器減壓裝置噴嘴的節(jié)流度而不會大大降低噴射器減壓裝置的噴射器效率ηe。
根據(jù)本發(fā)明，用于制冷循環(huán)的噴射器減壓裝置包括通過將致冷劑的壓力能量轉換為速度能量來減壓和膨脹來自散熱器中的致冷劑的噴嘴，當將從噴嘴中噴出的致冷劑和從制冷循環(huán)的蒸發(fā)器中吸進的致冷劑混合時，通過將致冷劑的速度能量轉換為壓力能量來增加致冷劑壓力的增壓部分，以及放置在致冷劑通道中，在噴嘴的軸向上能進行移動以調節(jié)噴嘴的致冷劑開口程度的針閥。在此，致冷劑通道由噴嘴的內壁限定。此外，噴嘴包括在噴嘴致冷劑通道中具有最小橫截面面積的喉部和在致冷劑流動中從喉部到下游的橫截面面積逐漸增大的膨脹部分。在噴射器減壓裝置中，針閥和噴嘴的內壁具有預定的形狀以便在致冷劑流動中，流進噴嘴的致冷劑在喉部的上游減壓成氣-液兩相狀態(tài)。在本發(fā)明中，因為致冷劑在喉部的上游被減壓成氣-液狀態(tài)，所以產(chǎn)生了致冷劑氣泡，致冷劑的質量密度降低。相應地，在噴嘴中致冷劑通道的橫截面面積相對減少。因此，致冷劑流量得到調整，避免了將致冷劑通道節(jié)流到超過必要的程度。結果，在具有可變控制致冷劑通道開口程度的噴嘴的噴射器減壓裝置中，可以避免噴射器效率ηe出現(xiàn)較大地降低。
另外，針閥設置在噴嘴的致冷劑通道中以限定在針閥和噴嘴內壁間的空間具有最小橫截面面積的節(jié)流部分，而節(jié)流部分位于致冷劑流動中喉部的上游。因此，調整后有小擾動的致冷劑可以通過喉部，并當流過延長部分時被充分地加速以高于聲速。因為致冷劑可以在噴嘴中準確、充分地加速，因此噴射器的效率可以得到有效地改善。
優(yōu)選地，針閥具有朝向針閥下游端的錐形下游部分，這樣針閥下游部分的橫截面面積向下游端方向減少，而針閥的內壁形成至少兩個自喉部為上游具有不同錐形角的近似錐形。此外噴嘴內壁的徑向尺寸向喉部的方向減少。另外噴嘴內壁的徑向尺寸從噴嘴的上游端向喉部減少，而從喉部到噴嘴的下游端增加。
圖4是解釋根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的噴射器噴嘴操作效果的放大示意圖；圖5是顯示根據(jù)第一實施方式的噴射器效率和參照噴射器效率之間的比較的條線圖；圖6是解釋參照噴射器噴嘴中的問題的放大示意圖；圖7是解釋另一個參照噴射器噴嘴中的問題的放大示意圖；圖8是顯示根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的噴嘴的放大示意圖；和圖9A是顯示根據(jù)本發(fā)明第三實施方式的噴嘴的放大示意圖；而圖9B是顯示圖9A中噴嘴的致冷劑通道和圖2中沿噴嘴軸向的混合部分和擴散管的截面面積變化的曲線圖。
在第一實施方式中，由于采用氟里昂作為致冷劑，所以散熱器20中的致冷劑壓力等于或低于致冷劑的臨界壓力，致冷劑在散熱器20中冷凝。當然，其它致冷劑如二氧化碳也可以作為致冷劑。當二氧化碳作為致冷劑使用時，散熱器20中的致冷劑壓力等于或高于致冷劑的臨界壓力。在這種情況下，致冷劑的溫度從散熱器20的入口到散熱器20的出口逐漸降低。蒸發(fā)器30蒸發(fā)液態(tài)致冷劑。具體地說，蒸發(fā)器30是低壓熱交換器，其通過外部空氣和液態(tài)致冷劑之間的熱交換操作吸收外部空氣的熱量蒸發(fā)液態(tài)致冷劑。噴射器40吸進在蒸發(fā)器30中蒸發(fā)的致冷劑，同時減壓和膨脹來自散熱器20的致冷劑，通過將膨脹能量轉換為壓力能量來增加吸進壓縮機10中致冷劑的壓力。
氣-液分離器50將來自噴射器40中的致冷劑分離成氣態(tài)致冷劑和液態(tài)致冷劑，并在其中貯存分離的致冷劑。氣-液分離器50包括連接到壓縮機10吸入口的氣態(tài)致冷劑出口和連接到蒸發(fā)器30入口的液態(tài)致冷劑出口。相應地，在噴射器循環(huán)(熱泵循環(huán))中，液態(tài)致冷劑流進蒸發(fā)器30，同時來自散熱器20的致冷劑在噴射器40的噴嘴41中減壓。
下面將參照圖2、3A、3B對噴射器40的結構進行具體說明。如圖2所示，噴射器40包括噴嘴41，混合部分42和擴散管43。噴嘴41通過將高壓致冷劑的壓力能量轉換為速度能量減壓和膨脹來自散熱器20的高壓致冷劑。來自蒸發(fā)器30的氣態(tài)致冷劑被噴嘴41中噴射出的高速致冷劑氣流吸進混合部分42，吸入的氣態(tài)致冷劑和噴射的致冷劑在混合部分42中混合。在混合吸自蒸發(fā)器30的氣態(tài)致冷劑和噴嘴41中噴射出的致冷劑的同時，擴散管43通過將致冷劑的速度能量轉換為致冷劑的壓力能量來增加致冷劑的壓力。
在混合部分42中，噴嘴41噴射出的致冷劑和從蒸發(fā)器30中吸入的致冷劑混合，這樣兩種致冷劑流體的動量總和不變。因此，在混合部分42中致冷劑的靜壓力也增加。由于擴散管43中致冷劑通道的截面面積逐漸增大，所以在擴散管43中，致冷劑的動態(tài)壓力轉變?yōu)橹吕鋭┑撵o態(tài)壓力。因此，在混合部分42和擴散管43中的致冷劑壓力都增加。相應地，第一實施方式中，混合部分42和擴散管43形成了增壓部分。理論上說，在噴射器40中，致冷劑的壓力在混合部分42中增加，所以兩種致冷劑流體的總動量在混合部分42中保持不變，而致冷劑的壓力在擴散管43中增加，所以致冷劑的總能量在擴散管43中保持不變。
噴嘴41是具有喉部41a和膨脹部分41b的拉貝爾(laburl)噴嘴(參考東京大學出版社出版的“流體工程”)。其中，喉部41a的橫截面面積在噴嘴41的致冷劑通道中是最小的。如圖3A所示，膨脹部分41b的內徑尺寸d2從喉部41a到噴嘴41的下游端逐漸增加。如圖2所示，針閥44通過致動器45沿噴嘴41的軸向移動，從而可以調節(jié)喉部41a的開口程度。也就是說，噴嘴41中致冷劑通道的節(jié)流度可以通過針閥44的位移進行調節(jié)。在第一實施方式中，電致動器如直線螺旋電機和具有螺旋機構的步進電機都可以作為致動器45使用，而高壓致冷劑的壓力用壓力傳感器(圖中未示出)檢測。因此就能調節(jié)喉部41a的開口程度，以將檢測壓力控制在預定的壓力。
針閥44設置于噴射器40的致冷劑通道中喉部41a的上游。此外，如圖3A所示，針閥44的錐形部分和噴嘴41的內壁表面構造成使節(jié)流部分41c形成于喉部41a的上游，從而來自散熱器20的致冷劑在喉部41a的上游減壓進入氣-液兩相狀態(tài)。在此，節(jié)流部分41c的橫截面面積由針閥44和噴嘴41確定，并且是噴嘴41的致冷劑通道中最小的面積。具體地說，如圖3B所示，噴嘴41的內壁表面至少有兩個錐形角α1、α2(參照日本工業(yè)標準B 0612)，并形成兩級錐形，所以內徑尺寸d1向喉部41a方向減少。此外，針閥44的頂端部分形成近似的圓錐形，所以針閥44的橫截面面積向其頂端減少。
下面將對第一實施方式中的噴射器40的操作效果進行說明。參照圖3A和圖3B，由噴嘴41和針閥44限定的致冷劑通道的截面面積向節(jié)流部分41c減少。因此，當致冷劑的流量是由噴嘴41的開口程度確定的流量時，從散熱器20流進噴嘴41的致冷劑的流動速度向節(jié)流部分41c的方向增加。另一方面，致冷劑通道的截面面積從節(jié)流部分41c到針閥44的下游端稍有增加。當然，與膨脹部分41相比，致冷劑通道中從節(jié)流部分41c到針閥44下游端的截面面積的增加程度很小。因此在節(jié)流部分41c和針閥44下游端間的致冷劑通道中，不會由于致冷劑膨脹和蒸發(fā)引起致冷劑流動的加速，也不會在針閥44的表面附近及其上使致冷劑流動的速度邊界層產(chǎn)生大的擾動。
另外，噴嘴41中，致冷劑通道的截面面積從針閥44的頂端到喉部41a再次減少。因此，在針閥44頂端和喉部41a之間，致冷劑的流動被節(jié)流和加速，同時在節(jié)流部分41c和針閥44的頂端產(chǎn)生的小的擾動也被調整。接著，調整后的致冷劑穿過喉部41a流進膨脹部分41b。然后，致冷劑在膨脹部分41b中膨脹并加速到等于或大于聲速的速度。此時，由于穿過喉部41a的致冷劑有較小的擾動，因此由于擾動產(chǎn)生的渦流損失在膨脹部分41b中得到再次限制。
來自散熱器20中的致冷劑在噴射器41中的喉部41a的上游部分減壓成氣-液兩相致冷劑。因此，如圖4所示，喉部41a上游部分產(chǎn)生的氣泡在向喉部41a的方向被進一步壓縮。然后，致冷劑的氣泡減少，并在喉部41a產(chǎn)生沸騰核心。當致冷劑通過喉部41a流進膨脹部分41b時，沸騰核心再次沸騰，因此助長了致冷劑在膨脹部分41b中的沸騰，加速致冷劑使其等于或高于聲速。在第一實施方式中，致冷劑的流量不是通過直接改變喉部41a中致冷劑通道的橫截面面積來調節(jié)。實際上，致冷劑在自喉部41a的致冷劑通道上游減壓成氣-液兩相致冷劑，并在氣-液致冷劑中產(chǎn)生致冷劑氣泡，所以致冷劑的質量密度減少。相應地，噴嘴41中致冷劑通道的橫截面面積相對減少。因此調節(jié)了致冷劑的流量，避免了調節(jié)致冷劑通道超過必要的程度。相應地，如圖5右邊(本發(fā)明的測試結果)所示，避免了噴射器效率ηe較大地降低。
在圖5中，“固定”表示噴嘴具有最適合致冷劑流量的固定形狀，而“控制”表示具有可以通過針閥44調節(jié)的致冷劑通道的噴嘴。在本發(fā)明中，由于致冷劑可以通過噴嘴41進行精確和充分地加速，因此可以改善噴射器效率ηe。結果，噴嘴41的節(jié)流度可以根據(jù)致冷劑的流量控制，同時噴射器效率ηe保持在較高的水平。
此外，參照圖5中左邊所示的試驗結果，致冷劑噴射器的噴射器效率ηe與本實施方式相比大大地降低。參照試驗是通過使用圖6、7所示的噴嘴410完成的。如圖6所示，本發(fā)明的發(fā)明者研究了包括用于調節(jié)噴嘴410節(jié)流度的針閥440的參照噴射410。針閥440具有圓錐形頂端并在噴嘴410中移動以調節(jié)節(jié)流度。在這種情況下，在針閥440表面附近及其上流動的致冷劑沿針閥440的圓錐形頂端表面流動。因此，沿圓錐形頂端表面流動的致冷劑流在針閥440頂端的下游端彼此碰撞。所以，由于致冷劑擾動就在針閥440的下游邊處的致冷劑流和致冷劑通道的速度邊界層中產(chǎn)生了渦流損失。相應地，即使是在噴嘴410的膨脹部分410b中，在噴嘴410中心軸線上的致冷劑流動速度也降低。從而中心軸線上的致冷劑流動速度變得最高。因此，致冷劑不能通過噴嘴410充分地加速，噴射器效率ηe降低。
另一方面，如圖7所示，如果致冷劑通道的橫截面面積只是簡單地在喉部410a控制，以便噴嘴410附近空間的橫截面面積在喉部410a最小，由于致冷劑沸騰就很容易在喉部410a的下游產(chǎn)生致冷劑氣泡。當在自喉部410a的致冷劑通道下游產(chǎn)生致冷劑氣泡時，喉部410a下游邊的致冷劑通道橫截面面積一般會由于致冷劑氣泡而減少。因此，致冷劑通道被節(jié)流到超過必要的水平，而與具有固定噴嘴的噴射器相比，噴射器效率ηe就大大地降低了。在此，為了防止產(chǎn)生氣泡，致冷劑在噴嘴410中被減壓到高于致冷劑的飽和蒸汽壓力。當然，由于在飽和蒸汽壓附近減壓，絕熱熱降(焓改變量)很小。因此，噴射器400很難恢復到足夠的能量。此外，噴射器400的泵作用很小，不能將足夠量的致冷劑循環(huán)到蒸發(fā)器30中。
根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式，在喉部41a的上游邊，致冷劑被減壓成氣-液兩相致冷劑。因此，可以避免致冷劑節(jié)流到超過必要的程度，有效地改善了噴射器的效率。第二實施方式在上述第一實施方式中，如圖3B所示，噴嘴41的內壁表面形成兩級錐形以具有兩個錐角α1、α2，所以內徑尺寸d1向喉部41a方向減小。當然，在第二實施方式中，如圖8所示，內壁表面具有向喉部41a方向逐漸減小的錐角，并形成非臺階錐形形狀，從而使內徑尺寸d1向喉部41a方向減小。相應地，致冷劑通道的橫截面面積在噴嘴41中平滑連續(xù)地變化，并進一步限制了致冷劑流中擾動的產(chǎn)生。
在第二實施方式中，其它部分類似于上述第一實施方式的部分。相應地，與第一實施方式相似，致冷劑在喉部41a的上游端減壓成氣-液兩相狀態(tài)。第三實施方式在第三實施方式中，如圖9A、9B所示，噴嘴41的內壁表面形成平滑的曲線表面，以便致冷劑在自喉部41a的上游減壓成氣-液相狀態(tài)。在圖9A、9B中，41d表示喉部41a的上游區(qū)部分，其中內徑尺寸d1向喉部41a方向減小。此外，噴嘴41、混合部分42和擴散管43設定在噴射器40中以具有圖9B所示的截面面積。
在第三實施方式中，其它部分類似于上述第一實施方式的部分。相應地，與第一實施方式相似，致冷劑在喉部41a的上游邊減壓成氣-液兩相狀態(tài)。
盡管本發(fā)明在參照附圖
的情況下通過優(yōu)選實施方式進行了充分地說明，但有必要說明的是，本領域專業(yè)技術人員應當理解本發(fā)明可能有各種變化和更改形式。
例如，在本發(fā)明上述實施方式中，要設定針閥44的頂端形狀和噴嘴41的內壁形狀以便在自喉部41a的上游形成節(jié)流部分41c，而致冷劑在喉部41a的上游減壓成氣-液致冷劑。但是，本發(fā)明并不僅限于這種方式，也可以只確定針閥44的頂端形狀和噴嘴41的內壁形狀，以使致冷劑在自喉部41a的上游減壓成氣-液兩相致冷劑。在上述實施方式中，高壓致冷劑的壓力作為與致冷劑循環(huán)中對應于致冷劑壓力的物理值檢測，而致動器45基于檢測到的致冷劑壓力控制。當然，在本發(fā)明中，致動器45也可以基于對應于致冷劑壓力的物理值控制，如高壓致冷劑的溫度、用于水加熱器中水的溫度和流進噴嘴41中的致冷劑量。
在上述實施方式中，可以控制噴嘴41的節(jié)流度以便將高壓致冷劑設定在預定的壓力。當然，例如，也可以控制節(jié)流度以便設定散熱器20的加熱性能與壓縮機10動力消耗的比值、即噴射器循環(huán)的性能系數(shù)高于預定值。在上述實施方式中，本發(fā)明通常應用到水加熱器中。當然，本發(fā)明并不僅限于水加熱器，本發(fā)明也可以應用到另外的噴射器循環(huán)如致冷器、冷凍機和空調中。致動器45可以是采用惰性氣體壓力的機械致動器，或可以是采用壓電元件的非電磁電致動器。例如，電致動器是步進電機或線性電磁電機。
應當理解，上述變化和更改都落入由本發(fā)明的權利要求所限定的范圍中。
權利要求
1.一種用于致冷劑循環(huán)的噴射器減壓裝置，所述致冷劑循環(huán)包括用于由壓縮機(10)壓縮的致冷劑散熱的散熱器(20)和用于減壓后蒸發(fā)致冷劑的蒸發(fā)器(30)，噴射器減壓裝置包括具有限定致冷劑通道的內壁的噴嘴(41)，其用于通過將致冷劑的壓力能量轉換為致冷劑的速度能量減壓和膨脹來自散熱器的致冷劑，噴嘴包括在噴嘴的致冷劑通道中具有最小橫截面面積的喉部(41a)和其中的橫截面面積在致冷劑流動中向下游方向增加的膨脹部分(41b)；增壓部分(42、43)，其設置成通過將致冷劑的速度能量轉換為致冷劑壓力能量來增加致冷劑的壓力，同時混合從噴嘴中噴射出的致冷劑和從蒸發(fā)器中吸收的致冷劑；和針閥(44)，其設置成可以在噴嘴的致冷劑通道中沿噴嘴軸向移動，用以調節(jié)噴嘴致冷劑通道的開口程度，其中針閥和噴嘴的內壁設置成具有預定的形狀，以使流進噴嘴的致冷劑在致冷劑流動中自喉部的上游減壓成氣-液兩相狀態(tài)。
2.根據(jù)權利要求1所述的噴射器減壓裝置，其特征在于針閥具有下游端，其設置成可以在自喉部的上游區(qū)域中以在噴嘴的致冷劑通道中移動。
3.根據(jù)權利要求1所述的噴射器減壓裝置，其特征在于針閥設置在噴嘴的致冷劑通道中以限定節(jié)流部分，所述節(jié)流部分具有在針閥和噴嘴內壁之間空間具有最小的橫截面面積；和針閥和噴嘴的內壁設置成使節(jié)流部分位于致冷劑流動中喉部的上游。
4.根據(jù)權利要求1所述的噴射器減壓裝置，其特征在于針閥具有朝向針閥的下游端呈錐形的下游部分，以使針閥下游部分的橫截面面積向下游端減少；噴嘴的內壁形成具有自喉部的上游至少有兩個不同錐角的近似圓錐的形狀；和具有向喉部方向徑向尺寸減少的內壁。
5.根據(jù)權利要求1所述的噴射器減壓裝置，其特征在于針閥具有朝向針閥的下游端呈錐形的下游部分，以使針閥下游部分的橫截面面積向下游端減少；和噴嘴的內壁的徑向尺寸自噴嘴的上游端向喉部減小并自喉部向噴嘴的下游增加。
6.根據(jù)權利要求1至5中任何一項所述的噴射器減壓裝置，還包括用于在噴嘴的致冷劑通道中移動針閥的電致動器(45)。
7.根據(jù)權利要求6所述的噴射器減壓裝置，還包括用于檢測在致冷劑循環(huán)中與致冷劑壓力相關的物理值的檢測裝置；和用于在檢測裝置檢測到的物理值的基礎上控制操作電致動器的控制器。
8.根據(jù)權利要求6所述的噴射器減壓裝置，其特征在于電致動器是步進電機。
9.根據(jù)權利要求6所述的噴射器減壓裝置，其特征在于電致動器是線性電磁電機。
10.根據(jù)權利要求1至5中任何一項所述的噴射器減壓裝置，其特征在于散熱器中致冷劑的壓力等于或高于致冷劑的臨界壓力。
11.根據(jù)權利要求1至5中任何一項所述的噴射器減壓裝置，其特征在于致冷劑為二氧化碳。
12.一種用于致冷劑循環(huán)的噴射器減壓裝置，所述致冷劑循環(huán)包括用于由壓縮機(10)壓縮的致冷劑散熱的散熱器(20)和用于減壓后蒸發(fā)致冷劑的蒸發(fā)器(30)，所述噴射器減壓裝置包括具有限定致冷劑通道的內壁的噴嘴(41)，其用于通過將致冷劑的壓力能量轉換為致冷劑的速度能量減壓和膨脹來自散熱器的致冷劑，噴嘴包括在噴嘴的致冷劑通道中具有最小橫截面面積的喉部(41a)和其中的橫截面面積在致冷劑流動中自喉部向下游增加的膨脹部分(41b)。增壓部分(42、43)，其設置成通過將致冷劑的速度能量轉換為致冷劑壓力能量來增加致冷劑的壓力，同時混合從噴嘴中噴射出的致冷劑和從蒸發(fā)器中吸收的致冷劑；和針閥(44)，其設置成可以在噴嘴的致冷劑通道中沿噴嘴軸向移動以用于調節(jié)噴嘴致冷劑通道的開口程度，其中針閥和噴嘴的內壁設置成限定其中通道截面面積最小的節(jié)流部分；和節(jié)流部分設置成在致冷劑流動中喉部的上游。
全文摘要
一種用于致冷劑循環(huán)的噴射器(40)，其包括其中具有致冷劑通道的噴嘴(41)和設置在噴嘴喉部(41a)噴嘴上游的致冷劑通道中的針閥(44)。針閥設置在噴嘴中以限定其間的位于自喉部上游的節(jié)流部分。針閥的頂端部分和針閥的內壁設置成以便致冷劑在喉部的上游減壓成氣－液兩相狀態(tài)。相應地，噴嘴的節(jié)流程度能可變地進行控制而不會降低噴射器的效率。
文檔編號F25B1/00GK1436992SQ0310423
公開日2003年8月20日 申請日期2003年2月8日 優(yōu)先權日2002年2月7日
發(fā)明者酒井猛, 野村哲, 武內裕嗣 申請人:株式會社電裝