DE102008027608B4

DE102008027608B4 - Zweistufiger Dekompressionsejektor und Kältekreislaufeinrichtung

Info

Publication number: DE102008027608B4
Application number: DE102008027608.1A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Oshitani; Yoshiaki Takano; Mika Gocho
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2007-06-11
Filing date: 2008-06-10
Publication date: 2017-11-23
Anticipated expiration: 2028-06-11
Also published as: DE102008027608A1; US20090013704A1; JP4572910B2; JP2008303851A; US7823400B2

Abstract

Zweistufiger Dekompressionsejektor umfassend: einen variablen Drosselmechanismus (18a, 26a) einschließlich eines ersten Drosselkanals (180f, 263d), der so konfiguriert ist, dass er ein Fluid dekomprimiert und expandiert, sowie eines Ventilkörpers (181a, 261), der so konfiguriert ist, dass er einen Drosselkanalquerschnitt bzw. eine Drosselkanalfläche des ersten Drosselkanals (180f, 263d) verändert; eine Düse (191, 263) mit einem zweiten Drosselkanal (19a, 26b) hierin, wobei der zweite Drosselkanal so ausgelegt ist, dass er das Fluid dekomprimiert und expandiert, das durch den variablen Drosselmechanismus (18a, 26a) dekomprimiert wurde; und einen Saugteil (190e), der so konfiguriert ist, dass er ein Fluid durch einen Saugeffekt eines Fuids mit Strahlströmung ansaugt, das bei hoher Geschwindigkeit aus der Düse (191, 263) ausgestoßen wird, wobei der folgenden Beziehung genügt wird: 0,07 ≤ Vo × S/vn ≤ 0,7,wo Vo ein Volumen eines Zwischendruckraums (Einheit: mm3) ist, das heißt, ein Volumen von einem Auslass des variablen Drosselmechanismus (18a, 26a) zu einem Einlass des zweiten Drosselkanals (19a, 26b), S eine Drosselkanaldurchtrittsfläche (Einheit: mm2) ist, das heißt, eine Kanalquerschnittsfläche an einem Teil (191a, 263b) mit minimaler Kanalquerschnittsfläche des zweiten Drosselkanals (19a, 26b), und vn eine Strömungsgeschwindigkeit (Einheit: mm/s) des durch den Kanal mit minimaler Querschnittsfläche (191a, 263b) gehenden Fluids ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen zweistufigen Dekompressionsejektor zum Dekomprimieren bzw. zur Druckentlastung und zum Expandieren eines Fluids unter Verwendung von zwei Drosseln und hat auch eine Kältekreislaufeinrichtung einschließlich des zweistufigen Dekompressionsejektors zum Gegenstand.
Eine vorgeschlagene konventionelle Kältekreislaufeinrichtung verwendet einen Ejektor als Dekompressionsmittel zum Dekomprimieren und Expandieren eines Kältemittels.
Diese Art von Kältekreislaufeinrichtung vom Ejektortyp ist dazu bestimmt, ein Kältemittel, das von einem Verdampfer abströmt, durch einen Saugeffekt einer Kältemittelströmung anzuziehen, die bei hoher Geschwindigkeit aus einer Düse eines Ejektors als Strahl ausgestoßen bzw. herausgespritzt wird und um den Druck eines Kältemittels zu erhöhen, das durch einen Diffusor eines Ejektors in einen Kompressor gesogen wird. Damit wird der Druck des in den Kompressor zu saugenden Kältemittels erhöht, um höher als ein Kältemittelverdampfungsdruck des Verdampfers zu werden.
Damit kann die Kältekreislaufeinrichtung vom Ejektortyp eine Antriebsleistung des Kompressors vermindern, wodurch eine Leistungsziffer (COP) des Kreislaufs verbessert wird, verglichen mit einem normalen Kältemittelkreislauf, bei dem ein Kältemittelverdampfungsdruck des Verdampfers identisch einem Kältemittelsaugdruck des Kompressors ist.
Um die COP weiter zu verbessern, schlägt die JP 2005-265223 A eine Kältemittelkreislaufeinrichtung vom Ejektortyp vor, bei dem einen zweistufigen Dekompressionsejektor zum Dekomprimieren und Expandieren von Kältemittel durch zwei Drosseln Anwendung findet.
Der zweistufige Dekompressionsejektor schließt ein thermisches Expansionsventil vom Kastentyp ein, das als eine anströmseitige Drossel dient, sowie einen Ejektor mit einer Düse, die als eine abströmseitige Drossel dient und die integral miteinander verbunden sind.
Ein Hochdruckkältemittel wird durch das thermische Expansionsventil in ein Zwischendruckkältemittel dekomprimiert und expandiert, wodurch Siedenuclei bzw. Siedekerne gebildet werden. Weiterhin wird das Zwischendruckkältemittel durch die Düse in ein Niederdruckkältemittel dekomprimiert und expandiert. Dieses kann dann ein Sieden des Kältemittels unter reduziertem Druck in der Düse begünstigen, wodurch ein Düsenwirkungsgrad des Ejektors verbessert wird.
Der hier verwendete Ausdruck „Düsenwirkungsgrad” beinhaltet einen Energieumwandlungsgrad beim Umwandeln einer Druckenergie des Kältemittels in dessen kinetische Energie. Damit kann die Verbesserung des Düsenwirkungsgrads eine Strömungsgeschwindigkeit des aus der Düse eingespritzten Kältemittels verbessern, um die Größe der durch den Ejektor rückgewonnenen Energie zu steigern. Im Ergebnis wird der Kältemitteldruck durch einen Diffusor gesteigert, wodurch die COP verbessert wird.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben aus Untersuchungen und Studien gelernt, dass, wenn die Kältekreislaufeinrichtung vom Ejektortyp, wie sie in der JP 2005-265223 A beschrieben ist, betätigt wird, ein abnormales Niederdruckfrequenzgeräusch vom Ejektor beim Starten des Kreislaufs hervorgerufen wird.
Im Hinblick auf die vorstehenden Probleme ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, das abnormale Niederdfrequenzgeräusch aus einem zweistufigen Dekompressionsejektor beim Anlaufen der Kältemitteleinrichtung vom Ejektortyp zu unterdrücken.
Die Erfindung wurde gemacht basierend auf den folgenden analytischen Kenntnissen. Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben Änderungen über die Zeit bei einem niederdruckseitigen Kältemitteldruck Ps, einem hochdruckseitigen Kältemitteldruck Pd und einem Geräuschniveau bzw. einem Geräuschpegel NL gemessen, das durch einen zweistufigen Dekompressionsejektor vom Beginn einer Anlaufzeit einer Kältekreislaufeinrichtung vom Ejektortyp hervorgerufen wurde, wie dies offenbart ist in der JP 2005-265223 A (Vergleichsbeispiel).
8 gibt das Messergebnis des Vergleichsbeispiels wieder. Wie aus 8 zu ersehen, beginnt beim Start der Kältekreislaufeinrichtung vom Ejektortyp des Vergleichsbeispiels der niederdruckseitige Kältemitteldruck Ps abzunehmen, während der hochdruckseitige Kältemitteldruck Pd zuzunehmen beginnt, und wobei weiterhin auch das Störgeräusch bzw. der Störpegel NL zunimmt. Es hat sich herausgestellt, dass die Steigerung im Störpegel NL durch das Hochfrequenzgeräusch, beispielsweise als Reibungsgeräusch, hervorgerufen wird, das erzeugt wird, wenn das Kältemittel die Kreislaufeinrichtung passiert.
Während anschließend der niederdruckseitige Kältemitteldruck Ps allmählich abnimmt und der hochdruckseitige Kältemitteldruck Pd allmählich zunimmt (spezifisch nach dem Anlaufen des Zyklus, beispielsweise nach etwa 23 Sekunden), gibt es einen Zeitpunkt, zu dem der Geräuschpegel NL am größten wird, wie durch die aus zwei Punkten bestehende Kettenlinie in 8 gezeigt.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben eine Frequenz mit dem höchsten Geräusch analysiert und so gefunden, dass das Geräusch ein Niederfrequenzgeräusch von etwa 180 Hz, wie in 9 gezeigt, ist. Das heißt, das Niederfrequenzgeräusch von etwa 180 Hz stellte sich als ein abnormales Niederfrequenzgeräusch, das vom Ejektor beim Anlaufen des Kreislaufs hervorgerufen wurde, heraus.
Die Erfinder der vorliegenden Anmeldung haben die Druckpulsation eines Zwischendrucks in einem Raum (im Folgenden als Zwischendruck-Raum bezeichnet) gemessen, der von einem Auslass eines variablen Drosselmechanismus eines thermischen Expansionsventils zu einem Einlass eines Teils mit minimalem Querschnittsdurchlassbereich (Einschnürungsteil) einer Düse zu dem Zeitpunkt führte, zu dem das Geräuschniveau NL am höchsten lag; daraufhin haben sie die Frequenz der Druckpulsation analysiert. Im Ergebnis (gezeigt in 10) stellte sich heraus, dass die Druckpulsation bei einer Frequenz von etwa 180 Hz existierte, das ist die gleiche wie die des Geräusches bzw. der Störung.
Im Hinblick auf das oben Gesagte, haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung sich fokussiert auf die Resonanz zwischen der Vibration eines Ventilkörpers des thermischen Expansionsventils und der Vibration des Kältemittels im Zwischendruckraum, und zwar als einen der Gründe zur Erzeugung des abnormalen Niederfrequenzgeräusches. Das heißt, nach dem Anlauf des Zyklus werden, wenn eine Differenz zwischen dem Druck des Zwischendruckkältemittels und dem Druck des Kältemittels in der Hochdruckflüssigkeitsphase auf der Anströmseite des variablen Drosselmechanismus des thermischen Expansionsventils gleich oder größer als ein vorbestimmter Wert wird, die Blasen (Siedenuclei) in dem Zwischendruckkältemittel geformt.
Da die Luftblasen instabil veränderte Volumina haben, vibriert die Bildung der Luftblasen den Ventilkörper. Weiterhin kann die Existenz von Luftblasen, deren Volumina im Zwischendruckraum verändert werden, dafür sorgen, dass der Zwischendruckraum als eine Art Dämpferraum wirkt. Wenn eine Frequenz der Vibration des Ventilkörpers identisch einer Resonanzfrequenz des Zwischendruckraums wird, kann abnormales Resonanzgeräusch hervorgerufen werden.
Die Erfinder haben jeweilige Parameter unter Berücksichtigung eines Zwischendruckraumvolumens Vo (mm³), eines Drosselkanalbereichs bzw. Drosselkanalquerschnitts S (mm²) des Einschnürungsteils der Düse eingerichtet, verwendet als ein Parameter, der eine Größe der Existenz von Luftblasen im Zwischendruckraum angibt, und unter Berücksichtigung einer Strömungsgeschwindigkeit vn (mm/s) des durch den Einschnürungsteil passierenden Kältemittels. Im Ergebnis haben die Erfinder der vorliegenden Anmeldung gefunden, dass die Druckpulsation des Zwischendruckkältemittels mit einer Veränderung von Vo × S/vn sich verändert.
Einzelheiten der Veränderung in der Druckpulsation sollen nun mit Bezug auf 11 beschrieben werden. In 11 gibt eine Seitenachse Vo ×S/vn an. Weiterhin in 11 gibt eine Längsachse auf der Seite eines unteren Bereichs eine Differenz zwischen der Druckpulsation bei Normalbetrieb und der Druckpulsation beim Auftreten eines abnormalen Niederfrequenzgeräusches beim Anlaufen an. In 11 gibt eine Längsachse auf der Seite eines oberen Bereichs ein Verhältnis des Druckanstiegs bezogen auf ΔP0 an, wenn eine Größe im Druckanstieg an einem Diffusor des Ejektors bezeichnet wird durch ΔP0 bei Vo × S/vn von 0,04 (Vo ×S/vn = 0,04).
Wie in 11 gezeigt, wird die Druckpulsation des Zwischendruckkältemittels mit steigendem Wert von Vo × S/vn reduziert, wodurch die Größe des Druckanstiegs am Diffusor vermindert wird. Insbesondere, wenn Vo × S/vn ≥ 0,07 wird, wird die Druckpulsation des Zwischendrucks effektiv reduziert. Dagegen wird die Zunahme im Druck aufgrund der Reduktion oder Extinction der Luftblasen (Siedenuclei), die im Zwischenraum existieren, reduziert, wodurch ein Ejektorwirkungsgrad verkleinert wird. Gilt Vo × S/vn ≤ 0,7, dann kann verhindert werden, dass die Größe des Druckanstiegs erheblich zunimmt.
DE 10 2006 014 867 A1 zeigt einen Ejektorpumpenkühlkreis mit einer Ejektorpumpe zur Druckverminderung und Zirkulation eines Kältemittels, mehreren Verdampfapparaten und einem Innenwärmetauscher, der vorzugsweise auf einen Kühlkreis für eine Klimaanlage und eine Kühlvorrichtung angewendet wird.
US 7 178 359 B2 betrifft einen Ejektorpumpenkreis, der eine Ejektorpumpe enthält, die als eine Druckverminderungseinrichtung zur Druckverminderung eines Fluids dient und die auch als eine Impulsförderpumpe zum Fördern des Fluids durch eine Mitreißwirkung eines ausgegebenen Hochgeschwindigkeits-Arbeitsfluids dient.
Im Hinblick auf das Vorgesagte umfasst gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein zweistufiger Dekompressionsejektor: einen variablen Drosselmechanismus mit einem ersten Drosselkanal, der so konfiguriert ist, dass er ein Fluid dekomprimiert und expandiert, sowie einen Ventilkörper, der so konfiguriert ist, dass er einen Drosseldurchlassbereich des ersten Drosselkanals verändert; eine Düse, die innen einen zweiten Drosselkanal hat, wobei der zweite Drosselkanal so ausgelegt ist, dass er weiter das Fluid dekomprimiert und expandiert, das durch den variablen Drosselmechanismus dekomprimiert wurde; sowie einen Saugteil, der so konfiguriert ist, dass er ein Fluid durch einen Saugeffekt eines Fluids mit Strahlströmung einzieht oder ansaugt, das aus der Düse bei hoher Geschwindigkeit ausgestoßen wird. Weiterhin ist der zweistufige Dekompressionsejektor so konfiguriert, dass er der folgenden Formel genügt: 0,07 ≤ Vo × S/vn ≤ 0,7, wobei Vo ein Zwischendruckraumvolumen (Einheit: mm³) ist, das heißt, ein Volumen von einem Auslass des variablen Drosselmechanismus zu einem Einlass des zweiten Drosselkanals, S eine Drosselkanalfläche (Einheit: mm²) ist, das heißt, ein Durchlassquerschnittsbereich minimaler Durchlassquerschnittsfläche des zweiten Drosselkanals, und vn eine Strömungsgeschwindigkeit (Einheit: mm/s) des zweiten Fluids ist, das durch den Teil mit minimaler Kanalquerschnittsfläche geht.
Da Vo × S/vn ≥ 0,07 gilt, kann hierdurch das abnormale Niederdruckgeräusch unterdrückt werden, das am zweistufigen Dekompressionsejektor bei Anlauf des Kreislaufs hervorgerufen wird, wenn der zweistufige Dekompressionsejektor bei einer Kältekreislaufeinrichtung Anwendung findet. Zusätzlich kann, wenn Vo × S/vn ≤ 0,7 ist, die drastische Reduktion im Ejektorwirkungsgrad verhindert werden, wodurch verhindert wird, dass die COP reduziert wird.
Beispielsweise können der erste Drosselkanal und der zweite Drosselkanal in einem Fluidkanal der Düse geformt werden, der Ventilkörper kann so konfiguriert werden, dass er nur eine Drosselkanalfläche eines Teils mit minimalem Kanalquerschnitt im ersten Drosselkanal verändert.
Somit können der erste Drosselkanal und der zweite Drosselkanal in einer einzigen Düse ausgebildet sein, hierdurch wird es möglich, den zweistufigen Dekompressionsejektor kompakt auszubilden.
Alternativ kann der variable Drosselmechanismus einen Drosselkanal eines thermischen Expansionsventils und einen Ventilkörper einschließen. Somit kann ein zweistufiger Dekompressionsejektor erreicht werden, und zwar beispielsweise durch eine einfache Konstruktion, bei der ein thermisches Expansionsventil vom Kastentyp integral mit dem Ejektor verbunden wird, dessen minimaler Kältemitteldurchlassbereich auf der Düsenseite nicht verändert wird.
Der variable Drosselmechanismus kann einen elektrischen variablen Drosselmechanismus einschließen, der so ausgebildet ist, dass er elektrisch einen Betrieb des Ventilkörpers regeln kann.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung schließt eine Kältekreislaufeinrichtung vom Ejektortyp den zweistufigen Dekompressionsejektor gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein. Somit kann das abnormale Niederfrequenzgeräusch, das beim zweistufigen Dekompressionsejektor beim Anlaufen der Kältekreislaufeinrichtung vom Ejektortyp erzeugt wurde, verhindert werden.
Zusätzliche Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen anhand der beiliegenden Zeichnungen. In diesen ist:
1 ein Diagramm, das die Gesamtkonfiguration der Kältekreislaufeinrichtung vom Ejektortyp gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2 ist ein Schnitt durch einen zweistufigen Dekompressionsejektor der ersten Ausführungsform;
3 ist ein Schaubild, das die Gesamtkonfiguration der Kältekreislaufeinrichtung vom Ejektortyp gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
4 ist ein Schnitt durch einen zweistufigen Dekompressionsejektor der zweiten Ausführungsform;
5 ist ein Schaubild, das die Gesamtkonfiguration einer Kältekreislaufeinrichtung vom Ejektortyp gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung erkennen lässt;
6 ist ein Schnitt und zeigt einen Teil eines zweistufigen Dekompressionsejektors gemäß einer anderen Ausführungsform;
7 ist eine Schnittdarstellung und zeigt einen Teil eines zweistufigen Dekompressionsejektors gemäß einer anderen Ausführungsform;
8 ist ein Diagramm und erläutert Veränderungen über die Zeit beim hochdruckseitigen Kältemitteldruck, beim niederdruckseitigen Kältemitteldruck, beim Geräuschpegel und dem Betriebszustand;
9 ist ein Diagramm, die das analytische Ergebnis der Frequenz des Geräuschpegels darstellt;
10 ist eine graphische Darstellung, die das analytische Ergebnis der Frequenz der Druckpulsation bei dem Zwischendruckkühlmittel erkennen lässt; und
11 ist eine graphische Darstellung, die ein Verhältnis zwischen Vo × S/vn, einer Differenz in der Druckpulsation und einem Verhältnis im Druckanstieg zeigt.
(Erste Ausführungsform)
Eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung soll nun nachstehend mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird eine Kältekreislaufeinrichtung vom Ejektortyp 10 einschließlich eines zweistufigen Ejektors 16 nach der Erfindung auf eine Klimaanlage für ein Fahrzeug angewendet. 1 zeigt die Gesamtkonfiguration der Kältekreislaufeinrichtung vom Ejektortyp 10. Bei der Kältekreislaufeinrichtung vom Ejektortyp 10 wird ein Kompressor 11 zum Ansaugen und Komprimieren von Kältemittel unter Drehung durch einen Fahrzeugmotor (nicht dargestellt), durch eine elektromagnetische Kupplung, einen Riemen oder dergleichen angetrieben.
Als Kompressor 11 kann entweder ein Kompressor mit variabler Verdrängung oder variabler Leistung Anwendung finden, der in der Lage ist, eine Kältemittelaustragskapazität abhängig von einer Änderung in der Austragskapazität (Lieferung) einzustellen, oder es kann ein Kompressor mit fester Verschiebung oder fester Leistung benutzt werden, um eine Kältemittelaustragskapazität einzustellen, indem ein Arbeitswirkungsgrad des Kompressors durch intermittierendes Verbinden der elektromagnetischen Kupplung verändert wird. Die Verwendung eines elektrischen Kompressors als Kompressor 11 kann die Kältemittelaustragskapazität durch Verstellen der Drehzahl eines Elektromotors einstellen.
Ein Radiator oder Kühler 12 ist mit der Kältemittelaustrags- bzw. -lieferseite des Kompressors 11 verbunden. Der Kühler 12 ist so ausgelegt, dass er Wärme zwischen Hochdruckkältemittel, das aus dem Kompressor 11 ausgetragen wird und Außenluft (das heißt, Luft außerhalb einer Fahrgastzelle) austauscht, die durch ein Elektrogebläse 13 geblasen wird, wodurch das Hochdruckkältemittel gekühlt wird. Das elektrische Gebläse 13 ist so ausgelegt, dass es unter Drehung einen bekannten Mehrschaufelzentrifugalventilator 13a durch Verwendung eines Elektromotors 13b antreibt.
Die Kältekreislaufeinrichtung vom Ejektortyp 10 der vorliegenden Erfindung stellt einen unterkritischen Zyklus dar, dessen hochdruckseitiger Kältemitteldruck den kritischen Druck des Kältemittels nicht überschreitet, indem ein normales Kältemittel auf Flon-Basis als Kältemittel verwendet wird. Damit dient der Kühler 12 als ein Kondensator zum Kondensieren des Kältemittels.
Ein Aufnehmer 14 ist mit der Abströmseite des Kühlers 12 verbunden. Der Aufnehmer 14 ist ein Gas-Flüssigkeits-Separator, der das vom Radiator 12 abströmende Kältemittel in flüssige Phasen und Dampfphasen trennt und um hierin das Kältemittel in der flüssigen Phase zu speichern.
Ein Verzweigungsteil 15, der eine Strömung des Kältemittels abzweigt, ist mit einem Auslass für ein Kältemittel in der flüssigen Phase des Aufnehmers bzw. Sammlers 14 verbunden. Der Verzweigungsteil 15 kann als sogenannter Drei-Wege-Verbinder mit einem Kältemitteleinlass und zwei Kältemittelauslässen ausgestattet sein. Eine Vielzahl von Kältemittelkanälen kann in einem mit Block aus Metall oder Harz in der Gestalt eines rechtwinkeligen Parallelepipeds vorgesehen sein.
Weiterhin ist einer der Kältemittelauslässe des Verzweigungsteils 15 mit einem hochdruckseitigen Kältemitteleinlass 180a des zweistufigen Dekompressionsejektors 16 verbunden, der andere Auslass ist mit einer Kältemittelsaugöffnung 190e des zweistufigen Dekompressionsejektors 16 über einen Kältemittelzweigkanal 17 verbunden.
Der zweistufige Dekompressionsejektor 16 soll nun mit Bezug auf 2 beschrieben werden. 2 ist eine Schnittdarstellung durch den zweistufigen Dekompressionsejektor 16. Der zweistufige Dekompressionsejektor 16 wird konstruiert, indem integral ein bekanntes Expansionsventil 18 vom Kastentyp mit dem Ejektor 19 verbunden wird.
Zunächst dient das thermische Expansionsventil 18 als ein Dekompressionsmittel und bildet einen Mechanismus 18a mit variabler Drosselung, bei dem es sich um eine Drossel handelt, die auf der Anströmseite des zweistufigen Dekompressionsejektors 16 angeordnet ist. Spezifisch handelt es sich bei dem thermischen Expansionsventil 18 um ein inneres ausgleichendes Expansionsventil derartiger Auslegung, dass ein Überhitzungsgrad des Kältemittels auf der Auslassseite eines ersten Verdampfers 16 basierend auf der Temperatur und dem Druck des Kältemittels auf der Auslassseite des Verdampfers 20 (zu beschreiben) erfasst wird. Das thermische Expansionsventil 18 ist auch so ausgelegt, dass es eine Drosselkanalfläche (Kühlmittelströmungsmenge) des variablen Drosselmechanismus 18a so einstellt, dass der Überhitzungsgrad des Kältemittels auf der Auslassseite des ersten Verdampfers 20 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.
Das thermische Expansionsventil 18 umfasst ein Gehäuse 180, eine Betätigungsstange 181, einen Temperaturfühlerteil 182 und dergleichen. Das Gehäuse 180 wird hergestellt, indem ein Loch in einen metallischen Block von Prisma- oder Zylindergestalt gestanzt wird. Das Gehäuse 180 bildet einen Außenmantel für das thermische Expansionsventil 18. Das Gehäuse 18 ist mit Kältemittelein- und Kältemittelauslässen 180a bis 180d, einer Ventilkammer 180e, einem ersten Drosselkanal 180f, einer Verbindungskammer 180g und einem Befestigungsloch 180h ausgestattet, um einen Temperaturfühlerteil 182 und dergleichen zu befestigen.
Die geformten Kältemitteleinlässe und -auslässe 180a bis 180d schließen einen Einlass 180a für ein Hochdruckkältemittel ein, der es erlaubt, dass eine Kältemittelströmung durch den Verzweigungsteil 15 hier hinein abgezweigt wird, und einen Auslass 180b für ein Zwischendruckkältemittel, der es dem Kältemittel erlaubt, zu einer Einlassseite einer Düse 191 des Ejektors 19 auszuströmen. Die Einlässe und Auslässe schließen auch einen Einlass 180c für Niederdruckkältemittel ein, der es dem Kältemittel auf der Auslassseite des ersten Verdampfers 20 ermöglicht, hier hinein, wie weiter unten beschrieben werden wird, zu strömen, sowie einen Auslass 180d für Niederdruckkältemittel, der es dem Kältemittel ermöglicht, von der Saugseite des Kompressors 11 abzuströmen.
Der Einlass 180a für das Hochdruckkältemittel steht in Verbindung mit der Ventilkammer 180e, um hierin einen Ventilkörper 181a der Betätigungsstange 181 aufzunehmen. Der Auslass 180b für das Zwischendruckkältemittel steht auch in Verbindung mit der Ventilkammer 180e über den ersten Drosselkanal 180f. Der erste Drosselkanal 180f dient dazu, das Kältemittel, das aus dem Einlass 180a für Hochdruckkältemittel abströmt, zu dekomprimieren und expandieren und es zum Auslass 180b für das Zwischendruckkältemittel zu führen.
Die Betätigungsstange 181 ist mit dem Kugelventilkörper 181a ausgestattet, der auf einem Ende der Stange 181 geformt ist; eine Temperaturfühlerstange 181b ist mit einem scheibenartigen Element 182d des Temperaturfühlerteils 82 (später zu beschreiben) verbunden. Der Ventilkörper 181a wird in der axialen Richtung der Betätigungsstange 181 (Temperaturfühlerstange 181b) verschoben, wodurch ein Drosselkanaldurchlass des ersten Drosselkanals 180f verstellt wird. Damit bilden bei der vorliegenden Ausführungsform der erste Drosselkanal 180f sowie der Ventilkörper 181a den variablen Drosselmechanismus 18a.
Die Axialrichtung der Betätigungsstange 181 geht durch die Verbindungskammer 180g und das Befestigungsloch 180h aus der Ventilkammer 180e. Die Verbindungskammer 180g ist ein Verbindungsraum, der die Verbindung zwischen dem Niederdruckkältemitteleinlass 180c, dem Niederdruckkältemittelauslass 180d und dem Befestigungsloch 180h herstellt. Damit wird das Kühlmittel auf der Auslassseite des ersten Verdampfers 20, das aus dem Niederdruckkältemitteleinlass 180c einströmt, zum Temperaturfühlerteil 182 über das Befestigungsloch 180h geführt, während es aus dem Auslass 180d für das Niederdruckkältemittel ausströmt.
Der Temperaturfühlerteil 182 dient als ein Betätigungsmechanismus des Überhitzungsgrads und wird entsprechend dem Druck und der Temperatur des Kältemittels auf der Auslassseite des ersten Verdampfers 20 betätigt. Spezifisch ist der Temperaturfühlerteil 182 mit einer ersten Druckkammer 182b und einer zweiten Druckkammer 182c, die durch eine Membran 182a aus Metall oder Harz abgetrennt ist, versehen. Die erste Druckkammer 182b ist mit der Kältemittelladung darin abgedichtet. Die zweite Druckkammer 182c steht in Verbindung mit der Verbindungskammer 180g, und zwar über die Befestigungsbohrung 180h.
Das metallische scheibenartige Element 182d ist gegen die Seite der Membran 182a auf der Seite der zweiten Druckkammer 182c gebunden. Wie oben erwähnt, ist das scheibenartige Element 182d mit der Temperaturfühlerstange 181b der Betätigungsstange 181 verbunden. Damit wird die Temperatur des Kältemittels auf der Auslassseite des ersten Verdampfers 20, das in die Verbindungskammer 180g strömt, zu der ersten Druckkammer 182b über die Temperaturfühlerstange 181b und das scheibenartige Element 182d übertragen.
Somit wird ein Innendruck der ersten Druckkammer 182b zu einem gesättigten Dampfdruck des Kältemittels gemäß der Temperatur des Kältemittels auf der Auslassseite des ersten Verdampfers 20. Dagegen wird der Druck in der zweiten Druckkammer 182c zu einem Kältemitteldruck auf der Auslassseite des ersten Verdampfers 20. Somit wird die Membran 182a entsprechend einer Differenz zwischen einer Last, die durch den Innendruck der ersten Druckkammer 182b aufgebracht wurde, und einer Last verschoben, die durch den Druck der zweiten Druckkammer 182c aufgebracht wurde. Damit wird die Betätigungsstange 181 (Ventilkörper 181a) in Zusammenwirkung mit der Verschiebung der Membran 182a verschoben.
Wenn beispielsweise die Temperatur (der Überhitzungsgrad) des Kältemittels auf der Auslassseite des ersten Verdampfers 20 zunimmt, wird die Wärme bei dieser Temperatur auf das Kältemittel in der ersten Druckkammer 182b übertragen, um den Innendruck (gesättigter Dampfdruck) in der ersten Druckkammer 182b zu erhöhen. Dies führt zu einer Steigerung in der Last aufgrund des erhöhten Innendrucks der ersten Druckkammer 182b, was es der Membran 182 erlaubt, in einer Richtung verschoben zu werden, in der eine Öffnung des Drosselkanals 180f vergrößert wird.
Somit wird die Strömungsmenge des aus dem Zwischendruck-Kühlmittelauslass 180b abströmenden Kältemittels vergrößert, was zu einer Vergrößerung in der Strömungsmenge bzw. der Strömungsgröße des Kältemittels führt, das dem ersten Verdampfer 20 über den Ejektor 19 zugeleitet wird, und führt damit zu einer Abnahme in der Temperatur (Überhitzungsgrad) des Kältemittels auf der Auslassseite des ersten Verdampfers 20. Das thermische Expansionsventil 18 stellt die Verschiebung des Ventilkörpers 181a ein, so dass ein Drosselkanaldurchlass (Kältemittelströmungsmenge) des ersten Drosselkanals 181f verstellt wird, derart, dass der Überhitzungsgrad des Kältemittels auf der Auslassseite des ersten Verdampfers 20 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs bleibt.
Der Ejektor 19 dient als Dekompressionsmittel mit einem zweiten Drosselkanal 19a, der als eine abströmseitige Drossel dient, um das auf Zwischendruck befindliche Kältemittel zu dekomprimieren und expandieren, das schließlich durch das thermische Expansionsventil 18 zur Expansion gebracht wird. Der Ejektor 19 dient auch als Kältemittelzirkulationsmittel für die Zirkulation des Kältemittels durch einen Saugeffekt des bei hoher Geschwindigkeit eingespritzten Kältemittels.
Der Ejektor 19 umfasst einen Körper oder ein Gehäuse 190 und die Düse 191. Das Gehäuse 190 ist aus Metall (beispielsweise Aluminium) in im Wesentlichen zylindrischer Gestalt zur Bildung des Außenmantels des Ejektors 19 geformt.
Der Körper 190 verfügt über das thermische Expansionsventil 18 sowie einen Verbindungsteil 190a, der auf einer Stirnseite eines Außenumfangs des Körpers ausgebildet ist. Eine Düsenkammer 190b, die innen die Düse 191, einen Mischerteil 190c, einen Diffusor 190d und auch eine Kältemittelsaugöffnung 190e, die den Körper 190 durchdringt, aufnimmt, sind im Körper 190 ausgebildet.
Das Verbindungsteil 190a ist in den Auslass 180b für das Zwischendruckkältemittel des thermischen Expansionsventils 18 eingesetzt und sorgt dafür, dass das thermische Expansionsventil 18 mit dem Ejektor 19 verbunden ist. Damit strömt das aus dem Auslass 180b für Zwischendruckkältemittel strömende Kältemittel in die Düse 191 des Ejektors 19. Ein Spalt zwischen dem Verbindungsteil 190a und dem Auslass 180b für das Zwischendruckkältemittel wird durch ein Dichtungsmittel, beispielsweise einen O-Ring abgedichtet, das Kältemittel tritt aus dem Spalt nicht unter Lecken aus.
Die Düse 191 ist aus Metall (beispielsweise einer rostfreien Legierung) in im Wesentlichen zylindrischer Gestalt geformt und verfügt über einen konischen verjüngten Teil an dem einen Ende in Strömungsrichtung des Kältemittels. Spezifisch wird eine sogenannte Lavaldüse verwendet, in der ein Innendurchmesser eines Kältemittelkanals allmählich entlang der Strömungsrichtung des Kältemittels reduziert wird und dann nach dem Einschnürungs- oder Halsbereich 191a, der über die minimale Kältemittelkanalquerschnittsfläche verfügt, reduziert.
Somit bildet bei der vorliegenden Ausführungsform der Kältemittelkanal auf der Abströmseite des Einschnürungsteils 191a den zweiten Drosselkanal 19a. Offensichtlich kann eine konvergente Düse, deren Querschnittsbereich im Kältemittelkanal sich nicht verändert, als Düsenteil 191 auf der Abströmseite des Einschnürungsteils 191a Verwendung finden.
Die Düse 191 ist an der Düsenkammer 190b des Körpers 190 nach einem Verfahren, beispielsweise durch Presssitz, fixiert, wodurch verhindert wird, dass das Kältemittel aus einem Presssitzteil (Befestigungsteil) heraus leckt. Solange das Kältemittel daran gehindert wird, aus dem Befestigungsteil heraus zu lecken, kann irgend ein anderes Bindemittel, beispielsweise Adhäsion, Schweißen, Druckschweißen, Löten und dergleichen zum (Ver)binden und zum Fixieren verwendet werden.
Die Kältemittelsaugöffnung 190e ist eine Saugöffnung, die das Kältemittel auf der Abströmseite des zweiten Verdampfers 23 (später zu beschreiben) in den Körper 190 einsaugt. Die Kältemittelsaugöffnung 190e ist auf der Außenumfangsseite der Düse 191 angeordnet und steht in Verbindung mit einer Kältemittelinjektionsöffnung bzw. -einspritzöffnung 191b, die in dem abströmseitigsten Teil der Düse 191 in Kältemittelströmungsrichtung über die Düsenkammer 190b geformt ist.
Der Mischerteil 190c ist im Wesentlichen innerhalb des wesentlichen Mittelteils des Körpers 190 in der Axialrichtung gesehen geformt. Der Mischerteil 190c ist ein Raum zum Vermischen von bei hoher Geschwindigkeit aus der Kältemitteleinspritzöffnung 191b eingespritztem Kältemittel mit Kältemittel, das aus der Kältemittelsaugöffnung 190e gesogen wurde. Der Mischerteil 190c ist auf der Abströmseite der Kältemitteleinspritzöffnung 191b und der Kältemittelsaugöffnung 190e angeordnet.
Der Diffusor 190d ist ein Booster (Verstärker, Druckstaueinrichtung), der auf der Abströmseite des Mischerteils 190c angeordnet und so ausgelegt ist, dass er die Kältemittelströmung verzögert und hierdurch den Kältemitteldruck erhöht. Der Diffusor 190d ist von solcher Gestalt geformt, dass eine Durchtrittsfläche des Kältemittels allmählich erhöht wird. Der Diffusor 190d hat die Funktion der Verzögerung der Kältemittelströmung, um den Kältemitteldruck zu erhöhen, das heißt, eine Funktion des Umwandelns einer Geschwindigkeitsenergie des Kältemittels in eine Druckenergie hiervon.
Der zweistufige Dekompressionsejektor 16 der vorliegenden Ausführungsform genügt einer Beziehung, die angegeben ist durch die folgende Formel F1: 0,07 ≤ Vo × S/vn ≤ 0,7 (F1), wo Vo das Volumen eines Zwischendruckraums (mm³) ist, der von einem Auslass des variablen Drosselmechanismus 18a zu einem Einlass des zweiten Drosselkanals 19a (spezifisch dem Einschnürungsteil 191a) führt, S eine Drosselkanalfläche (mm³) des Einschnürungsteils 191a und vn eine Strömungsgeschwindigkeit (mm/s) des Kältemittels ist, das durch den Einschnürungsteil 191a während des Zeitraums vom Beginn des Zyklus bis zu dessen Normalbetrieb passiert. Man beachte, dass das Volumen Vo des Zwischendruckraums ein Volumen eines Teils ist, der durch Schraffieren in den 1 und 2 angedeutet ist.
Um der oben genannten Formel F1 zu genügen, können Mittel zum Einstellen eines Kanalvolumens vom Auslass des variablen Drosselmechanismus 18a des thermischen Expansionsventils 18 zum Auslass 180b des Zwischendruckkältemittels, Mittel zum Einstellen eines Kanalvolumens oder Durchlassvolumens vom Einlass der Düse 191 zum Einschnürungsteil 191a, oder Mittel zum Einstellen einer Drosselkanaldurchtrittsfläche S des Einschnürungsteils 191a Verwendung finden. Spezifisch sichert die vorliegende Ausführungsform das Volumen Vo des Zwischendruckraums von beispielsweise 300 mm³ oder mehr.
Wie in 1 zu sehen, ist der erste Verdampfer 20 mit der Auslassseite des zweistufigen Dekompressionsejektors 16 (spezifisch der Auslassseite des Diffusors 190d des Ejektors 19) verbunden.
Der erste Verdampfer 20 ist ein Wärmeaustauscher zur Wärmeabsorption, der Wärme zwischen dem durchtretenden Niederdruckkältemittel und Luft (Innen- oder Außenluft) austauscht, die durch ein Elektrogebläse 21 geblasen wird, um das Verdampfen des Kältemittels zu ermöglichen und dadurch einen Wärmeabsorptionseffekt hervorzurufen. Das Elektrogebläse 21 hat den gleichen Aufbau wie der des elektrischen Gebläses 13 und umfasst einen zentrifugalen Mehrschaufelventilator 21a und einen Elektromotor 21b.
Der erste Verdampfer 20 ist in einem Gehäuse angeordnet, das einen Luftkanal einer (nicht gezeigten) Innenraumklimaeinheit der Klimaanlage für das Fahrzeug bildet. Der erste Verdampfer 20 stellt ein Kühlmittel dar, um Luft zu kühlen, die in eine Fahrgastzelle durch das Gehäuse geblasen wird. Das heißt, bei der vorliegenden Ausführungsform wird der erste Verdampfer 20 für eine Klimatisierung des Inneren der Fahrgastzelle verwendet, und ein den ersten Verdampfer 20 zu konditionierender Raum ist der Innenraum der Fahrgastzelle.
Ein (nicht gezeigter) Heizerkern oder dergleichen, der als Heizmittel zur Erwärmung der Luft dient, ist abströmseitig zu der Luftströmung aus dem ersten Verdampfer 20 in dem Gehäuse der Innenraumklimatisierungseinheit angeordnet. Die klimatisierte Luft, deren Temperatur und Feuchtigkeit gemäß dem Grad des Erwärmens des Heizerkerns eingestellt wird, wird aus einem Luftauslass (nicht gezeigt) auf dem abstromseitigen Ende der Luftströmung in dem Gehäuse in die Fahrgastzelle geblasen.
Der Einlass für das Niederdruckkältemittel 180c des zweistufigen Dekompressionsejektors 16 der oben beschriebenen Art ist mit einer Kältemittelauslassseite des ersten Verdampfers 20 verbunden. Der Auslass 180d des Niederdruckkältemittels des zweistufigen Dekompressionsejektors 16 ist mit der Saugseite des Kompressors 11 verbunden.
Dagegen strömt das an dem Verzweigungsteil 15 abgezweigte andere Kältemittel in eine Kältemittelsaugöffnung 190e des zweistufigen Dekompressionsejektors 16 über den Kältemittelzweigkanal 17. Drosseleinrichtungen 22 sind im Kältemittelzweigkanal 17 angeordnet, der zweite Verdampfer 23 ist auf der Abströmseite der Kältemittelströmung, die der Drosseleinrichtung 22 abgelegen ist, angeordnet. Die Drosseleinrichtung 22 dient als Dekompressionsmittel zum Dekomprimieren und Expandieren des in den zweiten Verdampfer 23 strömenden Kältemittels und ist spezifisch aufgebaut aus einer festen Drossel, beispielsweise einem Kapillarrohr oder einer Öffnung bzw. Mündung.
Der zweite Verdampfer 23 ist ein Wärmeaustauscher zur Wärmeabsorption, der Wärme zwischen einem durchgehenden Niederdruckkältemittel und Luft austauscht, die durch ein Elektrogebläse 24 zur Verdampfung des Kältemittels geblasen wurde, wodurch sich ein Wärmeabsorptionseffekt ergibt. Das Elektrogebläse 24 hat den gleichen Aufbau wie jedes der Elektrogebläse 13 und 21 und schließt einen zentrifugalen mehrschaufelligen Ventilator 24a und einen Elektromotor 24b ein.
Der zweite Verdampfer 23 bildet ein Kühlmittel zum Kühlen von Luft, die in einen in der Fahrgastzelle vorgesehenen Kühler oder Refrigerator geblasen wird. Das heißt, bei der vorliegenden Ausführungsform wird der zweite Verdampfer 23 verwendet, um das Innere des Refrigerators oder Kühlers zu kühlen, und ein durch den zweiten Verdampfer 23 zu klimatisierender Raum (ein zu kühlender Raum) befindet sich im Inneren des Kühlers. Das Elektrogebläse 24 saugt Luft im Kühler an und ermöglicht es der Luft zu zirkulieren und gegen den zweiten Verdampfer 23 geblasen zu werden.
Nun soll die Arbeitsweise der vorliegenden Ausführungsform mit der oben beschriebenen Anordnung nachstehend beschrieben werden. Wird eine Drehantriebskraft vom Fahrzeugmotor auf den Kompressor 11 übertragen, so saugt der Kompressor 11 an, komprimiert und trägt das Kältemittel aus. Das Hochtemperaturkältemittel in der Gasphase, das aus dem Kompressor 11 ausgetragen wurde, wird am Kühler 12 durch die Verwendung von Außenluft gekühlt und kondensiert, die vom Elektrogebläse 13 zugeblasen wurde.
Das kondensierte Kältemittel wird getrennt in gasförmige und flüssige Phasen, und zwar durch den Aufnehmer 14. Das gesättigte vom Verdampfer 14 fließende Kältemittel in der flüssigen Phase wird aufgeteilt in eine Kältemittelströmung, die gegen den Hochdruckkältemitteleinlass 180a des zweistufigen Dekompressionsejektors 16 gerichtet ist, und eine Kältemittelströmung, die gegen den Zweigkanal 17 durch den Verzweigungsteil 15 gerichtet wurde.
Die Kältemittelströmung wird in den zweistufigen Dekompressionsejektor 16 durch den variablen Drosselmechanismus 18a des thermischen Expansionsventils 18 dekomprimiert und expandiert und strömt aus dem Auslass 180b für das Zwischendruckkältemittel in die Düse 191 des Ejektors 19. Jetzt verfügt der variable Drosselmechanismus 18a über eine Drosselkanaldurchtrittsfläche, die so eingestellt ist, dass der Überhitzungsgrad des Kältemittels auf der Auslassseite des ersten Verdampfers 20 sich innerhalb des vorbestimmten Bereichs bewegt. Weiterhin sind in dem dekomprimierten und durch den variablen Drosselmechanismus 18a expandierten Kältemittel Siedenuclei bzw. Siedekerne geformt.
Das in die Düse 191 des Ejektors 19 strömende Kältemittel wird durch den zweiten Drosselkanal 19a der Düse 191 dekomprimiert und expandiert. Damit wird die Druckenergie des Kältemittels in seine Geschwindigkeitsenergie an der Düse 191 umgeformt, was es möglich macht, dass das Hochdruckkältemittel von der Kältemitteleinspritzöffnung 191b injiziert bzw. eingespritzt wird. Jetzt wird durch den Saugeffekt des Kältemittels das durch den zweiten Verdampfer 23 gegangene Kältemittel hier hinein aus der Kältemittelsaugöffnung 190e gesaugt.
Das Injektionskältemittel, das aus der Kältemittelinjektionsöffnung 191b eingespritzt wurde, und das Saugkältemittel, das aus der Kältemittelsaugöffnung 190e gesogen wurde, werden durch den Mischerteil 190c auf der Abströmseite der Düse 191 vermischt und fließen in den Diffusor 190d. Im Diffusor 190d wandelt eine Steigerung in der Durchtrittsfläche die Geschwindigkeitsenergie (Expansionsenergie) des Kältemittels in Druckenergie um, was zu einem Anstieg im Druck des Kältemittels führt.
Das aus dem Diffusor 190d des zweistufigen Dekompressionsejektors 16 strömende Kältemittel strömt in den ersten Verdampfer 20. Im ersten Verdampfer 20 absorbiert das Niederdruckkältemittel Wärme aus der vom Elektrogebläse 21 geblasene Luft, um es zu verdampfen. Damit wird die in die Fahrgastzelle zu blasende Luft gekühlt.
Das Kältemittel, das durch den ersten Verdampfer 20 gegangen ist, strömt wieder in den Einlass 180 für das Niederdruckkältemittel des zweistufigen Dekompressionsejektors 16 und strömt aus dem Auslass 180d für Niederdruckkältemittel über die Verbindungskammer 180g. Dann wird das Kältemittel in den Kompressor 11 gesaugt und wieder komprimiert.
Dagegen wird die Kältemittelströmung in den Kältemittelzweigkanal 17 durch die Drosseleinrichtung 22 dekomprimiert und wird zu einem Niederdruckkältemittel, und das Niederdruckkältemittel fließt in den zweiten Verdampfer 23. Im zweiten Verdampfer 23 absorbiert das Niederdruckkältemittel Wärme aus der vom Elektrogebläse 24 geblasenen Luft, um es zu verdampfen. Damit wird die in den Kühler oder Refrigerator geblasene Luft gekühlt. Das Kältemittel, das durch den zweiten Verdampfer 23 gegangen ist, wird von der Kältemittelsaugöffnung 190e in den zweistufigen Dekompressionsejektor 16 gesaugt bzw. gesogen.
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird die Kältekreislaufeinrichtung vom Ejektortyp 10, wie oben beschrieben, betrieben, so dass die ersten und zweiten Verdampfer 20 und 23 gleichzeitig den Kühleffekt zeitigen können. Jetzt ist ein Kältemittelverdampfungsdruck des ersten Verdampfers 20 ein Druck, der durch den Diffusor 14 erhöht wurde, während ein Kältemittelverdampfungsdruck des zweiten Verdampfers 23 ein Druck ist, der direkt die Dekompression durch die Düse 191 zum Anlass hat.
Somit wird es möglich, den Druck der Kältemittelverdampfung (Kältemittelverdampfungstemperatur) des zweiten Verdampfers 23 bezogen auf den Kältemittelverdampfungsdruck (Kältemittelverdampfungstemperatur) des ersten Verdampfers 20 herabzusetzen. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird der erste Verdampfer 20 für die Klimatisierung des Inneren der Fahrgastzelle verwendet, während der zweite Verdampfer 23 verwendet wird, um das Innere des Kühlers zu kühlen, so dass eine Kühltemperatur für den Gefrierschrank (freezer) und den Kühlschrank (refrigerator), die an Bord des Fahrzeugs aufgebaut sind, geringer als eine Kühltemperatur für das Innere der Fahrgastzelle sein kann.
Die Abströmseite des ersten Verdampfers 20 ist mit der Saugseite des Kompressors 11 verbunden, so dass das Kühlmittel, dessen Druck durch den Diffusor 190d erhöht wurde, in den Kompressor 11 gesaugt werden kann. Im Ergebnis kann der Saugdruck des Kompressors 11 erhöht werden, um eine Antriebsleistung des Kompressors 11 zu vermindern und hierdurch die COP zu verbessern Da weiterhin bei der vorliegenden Ausführungsform der zweistufige Dekompressionsejektor 16 Verwendung findet, wird das Kältemittel durch die variable Drosseleinrichtung 18a des thermischen Expansionsventils 18 dekomprimiert und expandiert, dann kann das Zwischendruckkältemittel mit den hierin gebildeten Siedekernen in die Düse 191 des Ejektors 19 fließen. Dies kann ein Sieden des Kältemittels unter reduziertem Druck in der Düse 191 begünstigen, um den Düsenwirkungsgrad des Ejektors 19 verbessern. Im Ergebnis kann die COP der Kältemittelkreislaufeinrichtung vom Ejektortyp 10 effektiv verbessert werden.
Weiterhin haben bei der vorliegenden Ausführungsform das Volumen Vo des Zwischendruckraums, die Drosselkanaldurchtrittsfläche S und die Strömungsgeschwindigkeit vn die durch die oben beschriebene Formel F1 angegebene Beziehung. Wie oben mit Bezug auf die 8 bis 11 erwähnt, lässt sich das abnorme Niederfrequenzgeräusch, das in dem zweistufigen Dekompressionsejektor beim Anlaufen der Kreislaufeinrichtung 10 hervorgerufen wird, ohne den Effekt der Verbesserung des Düsenwirkungsgrads zu verlieren, reduzieren.
Wie oben erwähnt, können nur durch Verstellung des Volumens Vo des Zwischendruckraums und der Drosselkanalfläche S der Formel F1 genügt werden. Damit kann der zweistufige Dekompressionsejektor 16 von einfachem Aufbau einschließlich des thermischen Expansionsventils 18 und des Ejektors 19, die integral miteinander verbunden sind, sein.
(Zweite Ausführungsform)
Bei der ersten Ausführungsform sind das thermische Expansionsventil 18 sowie der Ejektor 19 integral miteinander zur Bildung eines zweistufigen Dekompressionsejektors 16 verbunden. Alternativ werden bei der vorliegenden Ausführungsform ein thermisches Expansionsventil und ein Ejektor integral gebildet, wie in den 3 und 4 gezeigt, wodurch ein zweistufiger Dekompressionsejektor 26 gebildet wird. Die 3 und 4 illustrieren die gleichen oder äquivalenten Komponenten wie die der ersten Ausführungsform, wobei die gleichen Bezugszahlen genommen wurden. Das gleiche gilt für die folgenden Zeichnungen.
3 zeigt im Fließbild die Gesamtkonfiguration der Kältekreislaufeinrichtung vom Ejektortyp 10 der vorliegenden Ausführungsform. 4 ist ein Schnitt durch den zweistufigen Dekompressionsejektor 26. Der zweistufige Dekompressionsejektor 26 der vorliegenden Ausführungsform schließt ein Gehäuse 260 entsprechend dem thermischen Expansionsventil 18 der ersten Ausführungsform, ein Nadelventil 261, einen Temperaturfühlerteil 262, einen Körper 190 entsprechend dem Ejektor 19 der ersten Ausführungsform sowie eine Düse 263 ein.
Das Gehäuse 260 ist mit einem Hochdruckkältemitteleinlass 260a versehen, um es einem durch den Verzweigungsteil 15 abgezweigten Kältemittel zu erlauben, hier hinein zu strömen. Der Einlass 260a des Hochdruckkältemittels steht in Verbindung mit der Einlassseite der Düse 263. Der Temperaturfühlerteil 262, der mit dem Gehäuse 260 verbunden ist, schließt eine Membran 262a ein, bei der es sich um die gleiche wie die der ersten Ausführungsform handelt, sowie eine erste Druckkammer 262b, eine zweite Druckkammer 262c und ein scheibenartiges Element 262d.
Die erste Druckkammer 262b ist mit einem Temperaturfühlerzylinder 262d verbunden, der eine Temperatur des Kältemittels auf der Auslassseite des ersten Verdampfers 20, wie in 3 gezeigt, erfasst. Damit wird der Innendruck der ersten Druckkammer 262b zu einem gesättigten Verdampfungsdruck des Kältemittels gemäß der Temperatur des Kältemittels auf der Auslassseite des ersten Verdampfers 20. Das Kältemittel auf der Auslassseite des ersten Verdampfers 20 wird in die zweite Druckkammer 262c über ein Ausgleichsrohr 262e geführt. Damit ist der Innendruck in der zweiten Druckkammer 262 der Druck des Kältemittels auf der Auslassseite des ersten Verdampfers 20.
Das scheibenartige Element 262d, das an die Seite der zweiten Druckkammer 262c der Membran 262 gebunden ist, ist mit dem in einer nadelähnlichen Gestalt ausgebildeten Nadelventil 261 verbunden. Das Nadelventil 261 dringt in die Innenseite des Gehäuses 260 ein und erstreckt sich bis zur Abströmseite in Strömungsrichtung des Kältemittels, fort von einem ersten Einschnürungsteil bzw. Düsenhals 263a in einem Kältemittelkanal der Düse 263.
Die Düse 263 der vorliegenden Ausführungsform und die Düse 191 der ersten Ausführungsform sind grundsätzlich von ähnlichem Aufbau, unterscheiden sich aber in der Gestalt des hierin befindlichen Kältemittelkanals. Das heißt, der Innendurchmesser des Kältemittelkanals der Düse 263 wird allmählich reduziert und dann allmählich entlang der Richtung der Kältemittelströmung vom Einlass aus vergrößert. Hernach wird der Innendurchmesser des Kältemittelkanals allmählich reduziert und dann allmählich bis zum Erreichen einer Kältemitteleinspritzöffnung 263c vergrößert.
So werden also zwei Einschnürungsteile bzw. Teile mit engstem Düsenquerschnitt, nämlich ein erster Düsenhalsteil 263a und ein zweiter Düsenhalsteil 263b von der Anströmseite in Kältemittelströmungsrichtung in der Düse 263 geformt. Wie oben erwähnt, erstreckt sich die Spitze des Nadelventils 261 bis zur Abströmseite in der Kältemittelströmungsrichtung fort von dem ersten Düsenhalsteil 263a. Damit wird das Nadelventil 261 in Zusammenwirken mit der Membran 262a verschoben, wodurch ein Drosselkanalbereich des ersten Düsenhalsteils 263a verstellt wird.
Somit bilden bei der vorliegenden Ausführungsform der Kältemittelkanal 263d auf der Anströmseite des ersten Düsenhalses 263a (erster Düsenkanal) und das Nadelventil 261 einen variablen Drosselmechanismus 26a. Mehr im Einzelnen: das Gehäuse 260, das Nadelventil 261, der Temperaturfühlerteil 262 sowie der erste Düsenhalsteil 263 bilden ein äußeres ausgleichenden Expansionsventil zum Einstellen eines Drosselkanalquerschnitts (Größe der Kältemittelströmung), derart, dass der Überhitzungsgrad des Kältemittels auf der Auslassseite des ersten Verdampfers 20 sich innerhalb eines vorbestimmten Bereichs befindet.
Ein inneres ausgleichendes Expansionsventil kann so aufgebaut sein, dass das Kältemittel auf der Auslassseite des ersten Verdampfers 20 zur zweiten Druckkammer 262c geführt wird. Und es wird ein zweiter Drosselkanal 26b durch einen Kältemittelkanal gebildet, nachdem der zweite Düsenhalsteil 263b den minimalen Kältemittelkanal-Querschnittsflächenbereich unter den Kältemittelkanälen auf der Abströmseite des variablen Drosselmechanismus 26a hat.
Auch beim zweistufigen Dekompressionsejektor 26 der vorliegenden Ausführungsform genügen ein Volumen Vo des Zwischendruckraums (mm³) von einem Auslass des variablen Drosselmechanismus 26a zu einem Einlass des zweiten Drosselkanals 26b (insbesondere des zweiten Düsenhalsteils 263b), eine Drosselkanaldurchtrittsfläche S (mm²) des zweiten Düsenhalsteils 263b und eine Strömungsgeschwindigkeit vn (mm/s) des durch den zweiten Düsenhalsteil 263b gehenden Kältemittels, während des Zeitraums des Anlaufens des Kreislaufes bis zu seinem Normalbetrieb, der Beziehung, die durch die oben beschriebene Formel F1 angegeben ist.
Das Volumen Vo des Zwischendruckraums bei der vorliegenden Ausführungsform ist ein Volumen eines Teils, der durch Schraffieren in den 3 und 4 angezeigt ist.
Wie bei der ersten Ausführungsform kann bei Betrieb der Kältekreislaufeinrichtung vom Ejektortyp 10 der vorliegenden Ausführungsform das abnorme Niederfrequenzgeräusch unterdrückt werden, das in dem zweistufigen Dekompressionsejektor bei Anlauf der Kreislaufeinrichtung 10 erzeugt wird, und kann weiter effektiv die COP verbessern, ohne dass der Effekt, durch den der Düsenwirkungsgrad verbessert wird, verloren ginge. Das thermische Expansionsventil sowie der Ejektor sind integral geformt, wodurch der zweistufige Dekompressionsejektor kompakt ausgebildet wird.
(Dritte Ausführungsform)
Bei der zweiten Ausführungsform betätigt der zweistufige Dekompressionsejektor 26 das Nadelventil 261 durch Verwendung des Temperaturfühlerteils 262, der als ein durch den Überhitzungsgrad betätigter Mechanismus dient, um den Drosselkanaldurchgang des variablen Drosselmechanismus 26a so zu verstellen, dass der Überhitzungsgrad des Kältemittels auf der Auslassseite des ersten Verdampfers 20 einen vorbestimmten Wert erhält. Bei der vorliegenden Ausführungsform, gezeigt im Schaubild (Fließbild) der 5, wird ein zweistufiger Dekompressionsejektor 27, der elektrisch die Arbeitsweise des Nadelventils 261 regeln kann, verwendet.
Beim zweistufigen Dekompressionsejektor 27 der vorliegenden Ausführungsform wird das Nadelventil 261 durch ein elektrisches Betätigungsglied 270 angetrieben. Als elektrisches Betätigungsglied 270 kann beispielsweise ein Motorbetätigungsglied, beispielsweise ein Stufenmotor oder eine elektromagnetischer Solenoidmechanismus verwendet werden.
Das elektrische Betätigungsglied 270 wird angetrieben und geregelt durch einen Regelsignalausgang von einer Regeleinheit 30. Die Regeleinheit 30 schließt einen bekannten Mikrocomputer mit einer CPU, einer ROM, einem RAM und dergleichen sowie dessen Peripheriegeräte ein. Die Regeleinheit 30 regelt den Betrieb des elektrischen Betätigungsgliedes 270 und führt verschiedene Arten von Berechnungen und Verarbeitungen basierend auf im ROM gespeicherten Regelprogrammen durch.
Ein Temperaturfühler 31 zum Erfassen der Temperatur des Kältemittels auf der Auslassseite des ersten Verdampfers 20 sowie ein Temperatursensor 32 zum Erfassen von dessen Druck sind mit der Einlassseite der Regeleinheit 30 verbunden. Die Regeleinheit 30 berechnet ein Überhitzungsgrad des Kältemittels auf der Auslassseite des ersten Verdampfers 20, basierend auf Signalen von diesen Sensoren 31 und 32 und regelt die Betriebsweise des elektrischen Betätigungsglieds 270, derart, dass der Berechnungsgrad innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.
Somit lassen sich der Drosselkanaldurchgang des variablen Drosselmechanismus, der aus dem ersten Düsenhalsteil 263 und dem Nadelventil 261 besteht, verstellen. Der Aufbau der anderen Komponenten ist der gleiche wie der bei der zweiten Ausführungsform. Damit kann durch die Arbeitsweise der Kältekreislaufeinrichtung vom Ejektortyp 10 der vorliegenden Ausführungsform auch der komplette gleiche Effekt wie bei der zweiten Ausführungsform erhalten werden.
(Andere Ausführungsformen)
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen begrenzt, verschiedene Modifikationen können bezüglich dieser Ausführungsformen wie folgt vorgenommen werden.

(1) Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist der variable Drosselmechanismus 18a oder 26a als anströmseitige Drossel angeordnet, und der zweite Drosselkanal 19a oder 26b, der als feste Drossel wirkt, ist als abströmseitige Drossel angeordnet. Dagegen lässt sich, wie oben erwähnt, das abnorme Niederfrequenzgerausch, das beim Anlaufen des Ejektorkältemittelkreislaufs erzeugt wird, unterdrücken, indem das Volumen Vo des Zwischendruckraums und die Größe der Luftblasen (Siedekerne), die im Zwischendruckraum vorhanden sind, verändert werden.

Somit kann durch Anordnen der festen Drossel als anströmseitige Drossel und des variablen Drosselmechanismus als abströmseitige Drossel das oben beschriebene abnorme Niederfrequenzgeräusch unterdrückt werden. Das heißt, besondere Sorgfalt muss dem Volumen des Zwischendruckraums Vo geschenkt werden, wobei der Drosselkanaldurchtritt S des variablen Drosselmechanismus indikativ für einen Parameter ist, der die Größe der Luftblasen darstellt, die in dem Zwischendruckraum existieren, und weiter muss Beachtung der Strömungsgeschwindigkeit vn des durch den variablen Drosselmechanismus oder dergleichen gehenden Kältemittels geschenkt werden.
Spezifisch kann die Konstruktion des zweistufigen Dekompressionsejektors einen Aufbau haben, wie er beispielsweise in den 6 und 7 dargestellt ist. Die 6 und 7 sind vergrößerte Querschnitte und zeigen Teile um die Düsen 263 der zweiten und dritten Ausführungsformen. Das heißt, ein verjüngter Teil an der Spitze des Nadelventils 261 ist so angeordnet, dass er sich bis zur Abströmseite des zweiten Düsenhalsteils 263b erstreckt, das Nadelventil 261 wird hierdurch verschoben bzw. beaufschlagt, um den Drosselkanaldurchtritt des zweiten Düsenhalsteils 263b zu verstellen.
Selbst beim Verschieben des Nadelventils 261 wird andererseits nur ein linearer Teil des Nadelventils 261 innerhalb des ersten Düsenhalses 263a verschoben, wodurch der Drosselkanaldurchtritt des ersten Düsenhalsteils 263a nicht verändert wird. Hierdurch kann leicht eine Konstruktion einschließlich der festen Drossel als anströmseitige Drossel und des variablen Drosselmechanismus als abströmseitige Drossel erreicht werden.

(2) Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen wurde die Kältekreislaufeinrichtung vom Ejektortyp 10 beschrieben, bei der der Verzweigungsteil 15 auf der Abströmseite des zweistufigen Dekompressionsejektors 16, 26 oder 27 angeordnet war. Die Kreislaufkonstruktion, auf die die Erfindung Anwendung findet, ist hierauf aber nicht begrenzt.

Beispielsweise kann der Aufnehmer 14 entfernt werden, derart, dass das vom Kühler 12 kommende Kältemittel direkt in den zweistufigen Dekompressionsejektor 16, 26 oder 27 fließt, und das Kältemittel in flüssiger Phase, das von einem Gas-Flüssigkeits-Separator stammt, der auf der Abströmseite des Dekompressionsejektors 16, 26 oder 27 angeordnet ist, wird in den Ejektor 16, 26 oder 27 gesaugt.
Ein Verzweigungsteil zum Verzweigen der Kältemittelströmung vom Diffusor 190d kann auf der Abströmseite des zweistufigen Dekompressionsejektors 16, 26 oder 27 vorgesehen sein. Das abgezweigte Kältemittel kann jeweils an den ersten Verdampfer 20 und den zweiten Verdampfer 23 geliefert werden.

(3) Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen werden unterschiedlich zu kühlende Räume unter Verwendung des ersten Verdampfers 20 und des zweiten Verdampfers 23 benutzt. Der erste Verdampfer 20 und der zweite Verdampfer 23 können den gleichen zu kühlenden Raum kühlen.

Jetzt kann die in den zu kühlenden Raum geblasene Luft im ersten Verdampfer 20 und im zweiten Verdampfer 23 in dieser Reihenfolge gekühlt werden. Auf diese Weise wird der erste Verdampfer 20 auf der Luv-Seite, der zweite Verdampfer 23, dessen Kältemittelverdampfungstemperatur niedriger als die des ersten Verdampfers 20 ist, auf der Lee-Seite angeordnet. Somit kann eine Differenz in der Temperatur zwischen der geblasenen Luft und den ersten und zweiten Verdampfern 20 und 23 sichergestellt werden, wodurch in effektiver Weise die Blasluft gekühlt wird.

(4) Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen kann ein innerer Wärmeaustausch zum Austausch von Wärme zwischen dem Hochdruckkältemittel auf der Abströmseite des Kühlers 12 und Niederdruckkältemittel, das in den Kompressor 11 gesaugt werden soll, weiterhin zur Verfügung gestellt werden. Somit wird es möglich, die Differenz in der Enthalpie (Kühlleistung) des Kältemittels zwischen einem Einlass und einem Auslass des Kältemittels in den ersten und zweiten Verdampfern 20 und 23 gesteigert werden, wodurch die COP weiter verbessert wird.
(5) Obwohl bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der Aufbau von Kühler 12 und Aufnehmer 14 im Detail nicht beschrieben ist, lassen sich der Kühler 12 oder der Aufnehmer 14 einteilig oder getrennt formen.

Als Kühler 12 kann ein Kondensator vom sogenannten unterkühlenden Typ (sub-cool type) verwendet werden, der einen Wärme austauschenden Teil zum Kondensieren des Kältemittels, einen Empfänger zum Trennen des von dem austauschenden Teil eingeführten Kältemittels in flüssige und gasförmige Phasen, sowie einen Wärme austauschenden Teil zum Unterkühlen (super-cooling) einer gesättigten flüssigen Phase des Kältemittels vom Aufnehmer einschließt. Auf den Aufnehmer 14 kann verzichtet werden.

(6) Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Kältekreislaufeinrichtung vom Ejektortyp, bei der der zweistufige Dekompressionsejektor nach der Erfindung Anwendung findet, für eine Klimaanlage eines Fahrzeugs verwendet, die Erfindung ist aber auf die beschriebene Anwendung nicht begrenzt. Beispielsweise lässt sich die Erfindung anwenden auf feste Kälte- oder Kühlzyklen, beispielsweise einen Haushaltskühlschrank, ein Kältesystem für einen automatischen Spender oder einen Schaukasten mit einer Kühl- oder Kältefunktion.
(7) Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird der Kühler (12) als außen gelegener Wärmeaustauscher verwendet, um Wärme zwischen dem Kältemittel und der Außenluft auszutauschen, die ersten und zweiten Verdampfer 20 und 23 werden als Innenraumwärmeaustauscher verwendet, um den Innenraum bzw. die Innenseite der Fahrgastzelle sowie den Kühler zu kühlen. Umgekehrt lässt sich die Erfindung anwenden auf einen Wärmepumpenkreislauf, bei dem die ersten und zweiten Verdampfer 20 und 23 als die außenseitigen Wärmeaustauscher aufgebaut sind, um Wärme von einer Wärmequelle, beispielsweise von Außenluft, zu absorbieren, und der Kühler 12 ist als innenraumseitiger Wärmeaustauscher zum Erwärmen eines zu erwärmenden Fluids, beispielsweise von Luft oder Wasser, konstruiert.

Solche Änderungen und Modifikationen sind als innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung liegend, definiert durch die beiliegenden Ansprüche, zu sehen.

Claims

Zweistufiger Dekompressionsejektor umfassend: einen variablen Drosselmechanismus (18a, 26a) einschließlich eines ersten Drosselkanals (180f, 263d), der so konfiguriert ist, dass er ein Fluid dekomprimiert und expandiert, sowie eines Ventilkörpers (181a, 261), der so konfiguriert ist, dass er einen Drosselkanalquerschnitt bzw. eine Drosselkanalfläche des ersten Drosselkanals (180f, 263d) verändert; eine Düse (191, 263) mit einem zweiten Drosselkanal (19a, 26b) hierin, wobei der zweite Drosselkanal so ausgelegt ist, dass er das Fluid dekomprimiert und expandiert, das durch den variablen Drosselmechanismus (18a, 26a) dekomprimiert wurde; und einen Saugteil (190e), der so konfiguriert ist, dass er ein Fluid durch einen Saugeffekt eines Fuids mit Strahlströmung ansaugt, das bei hoher Geschwindigkeit aus der Düse (191, 263) ausgestoßen wird, wobei der folgenden Beziehung genügt wird: 0,07 ≤ Vo × S/vn ≤ 0,7, wo Vo ein Volumen eines Zwischendruckraums (Einheit: mm³) ist, das heißt, ein Volumen von einem Auslass des variablen Drosselmechanismus (18a, 26a) zu einem Einlass des zweiten Drosselkanals (19a, 26b), S eine Drosselkanaldurchtrittsfläche (Einheit: mm²) ist, das heißt, eine Kanalquerschnittsfläche an einem Teil (191a, 263b) mit minimaler Kanalquerschnittsfläche des zweiten Drosselkanals (19a, 26b), und vn eine Strömungsgeschwindigkeit (Einheit: mm/s) des durch den Kanal mit minimaler Querschnittsfläche (191a, 263b) gehenden Fluids ist.
Zweistufiger Dekompressionsejektor nach Anspruch 1, wobei der erste Drosselkanal (263d) und der zweite Drosselkanal (26b) in einem Fluidkanal der Düse (263) ausgebildet sind, und wobei der Ventilkörper (261) so konfiguriert ist, dass nur ein Drosselkanalquerschnitt eines minimalen Kanalquerschnittsteils (263a) im ersten Drosselkanal (263d) verändert wird.
Zweistufiger Dekompressionsejektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der variable Drosselmechanismus einen Drosselkanal (180f, 263d) eines thermischen Expansionsventils (18) und einen Ventilkörper (181a, 261) aufweist.
Zweistufiger Dekompressionsejektor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der variable Drosselmechanismus einen variablen Drosselmechanismus einschließt, der so ausgelegt ist, dass er elektrisch eine Arbeitsweise des Ventilkörpers (261) regeln kann.
Kältekreislaufeinrichtung vom Ejektortyp mit dem zweistufigen Dekompressionsejektor (16, 26, 27) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4.