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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ejektorpumpen-Dekompressionsvorrichtung
für einen Dampfkompressionskühlkreis.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Ejektorpumpe
mit einer Düse
mit regelbarer Drosselung, bei welcher ein Drosselgrad gesteuert
werden kann.
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In
einem Ejektorpumpenkreis wird ein Druck des in einen Kompressor
zu saugenden Kältemittels durch
Umwandeln von Expansionsenergie in Druckenergie in einer Düse einer
Ejektorpumpe erhöht,
wodurch die durch den Kompressor verbrauchte Antriebsenergie verringert
wird. Weiter wird das Kältemittel
mittels einer Pumpfunktion der Ejektorpumpe in einen Verdampfapparat
zirkuliert. Wenn jedoch die Energieumwandlungsleistung der Ejektorpumpe,
d.h. der Ejektorpumpenwirkungsgrad ηe reduziert ist, kann der Druck
des zum Kompressor zu saugenden Kältemittels durch die Ejektorpumpe
nicht ausreichend erhöht
werden. In diesem Fall kann die durch den Kompressor verbrauchte
Antriebsenergie nicht ausreichend reduziert werden. Andererseits
ist ein Drosselgrad (Kanalöffnungsgrad)
der Düse
der Ejektorpumpe allgemein fest. Deshalb wird, wenn sich eine Menge
des in die Düse
strömenden
Kältemittels ändert, der
Ejektorpumpenwirkungsgrad ηe
entsprechend der Veränderung
der Kältemittelströmungsmenge
verändert.
Weiter kann gemäß Versuchen
der Erfinder der vorliegenden Erfindung, falls der Drosselgrad der
Düse einfach
geändert
wird, der Ejektorpumpenwirkungsgrad ηe durch einen Kältemittelströmungsverlust
eines Steuermechanismus zum Steuern des Drosselgrades stark reduziert
werden.
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Die
FR-A-1,575,202 offenbart
eine Ejektorpumpen-Dekompressionsvorrichtung mit einer Düse mit einem
Nadelventil zum Einstellen eines Öffnungsgrades des Kältemitteldurchgangs
der Düse.
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In
Anbetracht der obigen Probleme ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Ejektorpumpen-Dekompressionsvorrichtung mit einer
Düse mit
regelbarer Drosselung mit einer verbesserten Konstruktion vorzusehen.
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Es
ist eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Drosselgrad
einer Düse
der Ejektorpumpen-Dekompressionsvorrichtung variabel zu steuern,
ohne einen Ejektorpumpenwirkungsgrad ηe der Ejektorpumpen-Dekompressionsvorrichtung stark
zu verringern.
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Diese
Aufgaben werden durch die Merkmale in Anspruch 1 gelöst.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält eine
Ejektorpumpen-Dekompressionsvorrichtung für einen Kühlkreis eine Düse zum Dekomprimieren
und Ausdehnen eines aus einem Kühler
strömenden
Kältemittels
durch Umwandeln von Druckenergie des Kältemittels in Geschwindigkeitsenergie
des Kältemittels,
einen Druckerhöhungsabschnitt,
der zum Erhöhen
eines Drucks des Kältemittels
durch Umwandeln der Geschwindigkeitsenergie des Kältemittels
in die Druckenergie des Kältemittels
angeordnet ist, wobei das von der Düse eingespritzte Kältemittel
und das von einem Verdampfapparat des Kühlkreises angesaugte Kältemittel
vermischt werden, sowie ein Nadelventil, das in einem Kältemitteldurchgang
der Düse
in einer axialen Richtung der Düse
verschiebbar angeordnet ist, um einen Öffnungsgrad des Kältemitteldurchgangs
der Düse
einzustellen. Hierbei ist der Kältemitteldurchgang
durch eine Innenwand der Düse
definiert. Weiter enthält
die Düse
einen Verengungsabschnitt mit einer Querschnittsfläche, die
im Kältemitteldurchgang
der Düse
am kleinsten ist, und einen Erweiterungsabschnitt, in dem die Querschnittsfläche von
der Verengung in einer stromabwärtigen
Richtung im Kältemittelstrom
größer wird.
In der Ejektorpumpen-Dekompressionsvorrichtung
sind das Nadelventil und die Innenwand der Düse so vorgesehen, dass sie
vorbestimmte Formen derart haben, dass das in die Düse strömende Kältemittel stromauf
des Verengungsabschnitts im Kältemittelstrom
in einen Gas/Flüssigkeit-Zweiphasenzustand dekomprimiert
wird. In der vorliegenden Erfindung werden, weil das Kältemittel
stromauf des Verengungsabschnitts in den Gas/Flüssigkeit-Zustand dekomprimiert wird, Kältemittelblasen
erzeugt und eine Dichte des Kältemittels
wird verringert. Demgemäß wird die
Querschnittsfläche
des Kältemitteldurchgangs
in der Düse
relativ verkleinert. Daher kann die Strömungsmenge des Kältemittels
eingestellt werden und eine Drosselung des Kältemitteldurchgangs um mehr
als ein notwendiges Maß kann
verhindert werden. Als Ergebnis kann verhindert werden, dass ein
Ejektorpumpenwirkungsgrad ηe
in der Ejektorpumpen-Dekompressionsvorrichtung mit der Düse, bei
der der Öffnungsgrad
des Kältemitteldurchgangs variabel
gesteuert werden kann, stark reduziert wird.
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Alternativ
ist das Nadelventil im Kältemitteldurchgang
der Düse
angeordnet, um einen Drosselabschnitt mit einer Querschnittsfläche zu definieren, der
in einem Raum zwischen dem Nadelventil und der Innenwand der Düse am kleinsten
ist, und der Drosselabschnitt ist im Kältemittelstrom stromauf des Verengungsabschnitts
positioniert. Deshalb kann ein gerichteter Kältemittelstrom mit kleiner
Störung
durch den Verengungsabschnitt strömen und wird beim Strömen durch
den Erweiterungsabschnitt um mehr als die Schallgeschwindigkeit
ausreichend beschleunigt. Weil das Kältemittel in der Düse genau
ausreichend beschleunigt werden kann, kann der Ejektorpumpenwirkungsgrad
effektiv verbessert werden.
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Das
Nadelventil hat einen stromabwärtigen Abschnitt,
der zu einem stromabwärtigen
Ende des Nadelventils hin konisch verjüngt ist, sodass eine Querschnittsfläche des
stromabwärtigen
Abschnitts des Nadelventils zum stromabwärtigen Ende hin kleiner wird,
und die Innenwand der Düse
ist in eine ungefähre
Konusform mit wenigstens zwei unterschiedlichen konischen Winkeln
stromauf des Verengungsabschnitts ausgebildet. Weiter hat die Innenwand
der Düse
ein Radialmaß,
das zum Verengungsabschnitt hin kleiner wird. Alternativ hat die
Innenwand der Düse
ein Radialmaß,
das von einem stromaufwärtigen
Ende der Düse
zum Verengungsabschnitt hin kleiner wird und vom Verengungsabschnitt
zu einem stromabwärtigen
Ende der Düse
größer wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich.
Darin zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Ejektorpumpenkreises gemäß einem
ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
schematische Darstellung einer Ejektorpumpe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
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3A eine
vergrößerte schematische
Darstellung eines Kältemittelstroms
in einer Düse
der Ejektorpumpe gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
und 3B eine vergrößerte schematische Darstellung
einer Innenwandform der in 3A gezeigten
Düse;
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4 eine
vergrößerte schematische
Darstellung zum Erläutern
einer Funktionswirkung der Düse
der Ejektorpumpe gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel;
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5 ein
Balkendiagramm eines Vergleichs zwischen dem Wirkungsgrad der Ejektorpumpe
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
und dem Wirkungsgrad einer Vergleichsejektorpumpe;
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6 eine
vergrößerte schematische
Darstellung zum Erläutern
eines Problems in einer Düse einer
Vergleichsejektorpumpe;
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7 eine
vergrößerte schematische
Darstellung zum Erläutern
eines Problems in einer Düse einer
weiteren Vergleichsejektorpumpe;
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8 eine
vergrößerte schematische
Darstellung einer Düse
außerhalb
des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung; und
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9A eine
vergrößerte schematische
Darstellung einer Düse
außerhalb
des Schutzumfangs der beanspruchten Erfindung und 9B ein
Diagramm einer Querschnittsflächenänderung
in einem Kältemitteldurchgang
der in 9A gezeigten Düse und in
einem in 2 gezeigten Mischabschnitt und Diffusor
in einer Axialrichtung der Düse.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER DERZEIT BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
einer Ejektorpumpen-Dekompressionsvorrichtung werden nachfolgend
unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
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(Erstes Ausführungsbeispiel)
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Im
ersten Ausführungsbeispiel
wird, wie in 1 dargestellt, eine Ejektorpumpe
für einen
Ejektorpumpenkreis typischerweise für einen Wärmepumpenkreis für eine Wasserheizvorrichtung
verwendet. Im Ejektorpumpenkreis wird die Ejektorpumpe als eine
Dekompressionsvorrichtung zum Dekomprimieren eines Kältemittels
verwendet. In dem in 1 dargestellten Wärmepumpenkreis
saugt ein Kompressor 10 das Kältemittel an und komprimiert es,
und ein Kühler 20 kühlt das
vom Kompressor 10 ausgegebene Kältemittel. Insbesondere ist
der Kühler 20 ein
Hochdruck-Wärmetauscher,
der Wasser für die
Wasserheizvorrichtung durch einen Wärmeaustausch zwischen dem aus
dem Kompressor 10 strömenden
Kältemittel
und dem Wasser heizt. Der Kompressor 10 wird durch einen
Elektromotor (nicht dargestellt) angetrieben, und eine Drehzahl
des Kompressors 10 kann gesteuert werden. Eine Strömungsmenge
des vom Kompressor 10 ausgegebenen Kältemittels wird durch Erhöhen der
Drehzahl des Kompressors 10 erhöht, wodurch eine Heizleistung
des Wassers im Kühler 20 erhöht wird.
Im Gegensatz dazu wird die Strömungsmenge
aus dem Kompressor 10 durch Verringern der Drehzahl des Kompressors 10 reduziert,
wodurch die Heizleistung des Wassers im Kühler 20 verringert
wird.
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Im
ersten Ausführungsbeispiel
ist, da Fleon als Kältemittel
benutzt wird, der Kältemitteldruck
im Kühler 20 gleich
oder niedriger als der kritische Druck des Kältemittels und das Kältemittel
wird im Kühler 20 kondensiert.
Jedoch können
auch andere Kältemittel
wie beispielsweise Kohlendioxid als Kältemittel benutzt werden. Wenn
Kohlendioxid als Kältemittel benutzt
wird, wird der Kältemitteldruck
im Kühler 20 gleich
oder höher
als der kritische Druck des Kältemittels
und das Kältemittel
wird ohne Kondensation im Kühler 20 gekühlt. In
diesem Fall wird eine Temperatur des Kältemittels von einem Einlass
des Kühlers 20 zu
einem Auslass des Kühlers 20 hin
reduziert. Ein Verdampfapparat 30 verdampft flüssiges Kältemittel.
Insbesondere ist der Verdampfapparat 30 ein Niederdruck-Wärmetauscher,
der das flüssige
Kältemittel
durch Absorbieren von Wärme
aus Außenluft
in einem Wärmetauschvorgang
zwischen der Außenluft und
dem flüssigen
Kältemittel
verdampft. Eine Ejektorpumpe 40 saugt das im Verdampfapparat 30 verdampfte
Kältemittel
an, wobei das aus dem Kühler 20 strömende Kältemittel
dekomprimiert und ausgedehnt wird, und erhöht den Druck des in den Kompressor 10 zu
saugenden Kältemittels
durch Umwandeln von Expansionsenergie in Druckenergie.
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Eine
Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 50 trennt
das Kältemittel
aus der Ejektorpumpe 40 in gasförmiges Kältemittel und flüssiges Kältemittel
und speichert das getrennte Kältemittel
darin. Die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 50 enthält einen mit
einer Ansaugöffnung
des Kompressors 10 verbundenen Gaskältemittelauslass und einen
mit einem Einlass des Verdampfapparats 30 verbundenen Flüssigkältemittelauslass.
Demgemäß strömt in dem Ejektorpumpenkreis
(Wärmepumpenkreis)
das flüssige
Kältemittel
in den Verdampfapparat 30, wobei das Kältemittel aus dem Kühler 20 in
einer Düse 41 der
Ejektorpumpe 40 dekomprimiert wird.
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Als
nächstes
wird die Konstruktion der Ejektorpumpe 40 im Detail Bezug
nehmend auf 2, 3A, 3B beschrieben.
Wie in 2 dargestellt, enthält die Ejektorpumpe 40 die
Düse 41,
einen Mischabschnitt 42 und einen Diffusor 43.
Die Düse 41 dekomprimiert
und expandiert das Hochdruckkältemittel
aus dem Kühler 20 durch
Umwandeln von Druckenergie des Hochdruckkältemittels in Geschwindigkeitsenergie.
Gasförmiges
Kältemittel
aus dem Verdampfapparat 30 wird durch einen Hochgeschwindigkeitsstrom
des von der Düse 41 eingespritzten
Kältemittels
in den Mischabschnitt 42 gesaugt und das angesaugte gasförmige Kältemittel und
das eingespritzte Kältemittel
werden im Mischabschnitt 42 vermischt. Der Diffusor 43 erhöht den Kältemitteldruck
durch Umwandeln der Geschwindigkeitsenergie des Kältemittels
in die Druckenergie des Kältemittels,
wobei das vom Verdampfapparat 30 angesaugte gasförmige Kältemittel
und das von der Düse 41 eingespritzte
Kältemittel
vermischt werden.
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Im
Mischabschnitt 42 werden das von der Düse 41 ausgestoßene Kältemittel
und das vom Verdampfapparat 30 angesaugte Kältemittel
so vermischt, dass die Summe ihrer Impulse der zwei Kältemittelströme erhalten
bleibt. Deshalb wird der statische Druck des Kältemittels im Mischabschnitt 42 ebenfalls
erhöht.
Weil eine Querschnittsfläche
eines Kältemitteldurchgangs
im Diffusor 43 allmählich
größer wird,
wird ein dynamischer Druck des Kältemittels
im Diffusor 43 in statischen Druck des Kältemittels
umgewandelt. Daher wird der Kältemitteldruck
in sowohl dem Mischabschnitt 42 als auch dem Diffusor 43 erhöht. Demgemäß definieren
im ersten Ausführungsbeispiel
der Mischabschnitt 42 und der Diffusor 43 einen
Druckerhöhungsabschnitt.
Theoretisch wird in der Ejektorpumpe 40 der Kältemitteldruck
im Mischabschnitt 42 so erhöht, dass der Gesamtimpuls der
zwei Kältemittelströme im Mischabschnitt 42 erhalten
bleibt, und der Kältemitteldruck
wird im Diffusor 43 so erhöht, dass die Gesamtenergie
des Kältemittels
im Diffusor 43 erhalten bleibt.
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Die
Düse 41 ist
eine „Laburl-Düse" (siehe Fluid Engineering,
veröffentlicht
von Tokyo University Publication) mit einem Verengungsabschnitt 41a und einem
Erweiterungsabschnitt 41b. Hierbei ist eine Querschnittsfläche des
Verengungsabschnitts 41a in einem Kältemitteldurchgang der Düse 41 am
kleinsten. Wie in 3A dargestellt, wird ein inneres
Radialmaß d2
des Erweiterungsabschnitts 41b vom Verengungsabschnitt 41a zu
einem stromabwärtigen Ende
der Düse 41 hin
allmählich
größer. Wie
in 2 dargestellt, wird ein Nadelventil 44 durch
einen Stellantrieb 45 in eine axiale Richtung der Düse 41 verschoben,
sodass ein Öffnungsgrad
des Verengungsabschnitts 41a eingestellt wird. D.h. der
Drosselgrad des Kälte mitteldurchgangs
in der Düse 41 wird
durch die Verschiebung des Nadelventils 44 eingestellt.
Im ersten Ausführungsbeispiel
wird ein elektrischer Stellantrieb wie beispielsweise ein Linearsolenoidmotor oder
ein Schrittmotor mit einem Schraubenmechanismus als Stellantrieb 45 benutzt,
und ein Druck des Hochdruckkältemittels
wird mit einem Drucksensor (nicht dargestellt) erfasst. Dann wird
der Öffnungsgrad
des Verengungsabschnitts 41a eingestellt, um so den erfassten
Druck auf einen vorbestimmten Druck zu regeln.
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Das
Nadelventil 44 ist im Kältemitteldurchgang
der Ejektorpumpe 40 stromauf des Verengungsabschnitts 41a angeordnet.
Weiter sind, wie in 3A dargestellt, ein konischer
Abschnitt des Nadelventils 44 und eine Innenwandfläche der
Düse 41 so
ausgebildet, dass stromauf des Verengungsabschnitts 41a ein
Drosselabschnitt 41c gebildet wird, sodass das Kältemittel
aus dem Kühler 20 stromauf des
Verengungsabschnitts 41a in einen Gas/Flüssigkeit-Zweiphasenzustand
dekomprimiert wird. Hierbei wird eine Querschnittsfläche des
Drosselabschnitts 41c durch das Nadelventil 44 und
die Düse 41 bestimmt
und ist im Kältemitteldurchgang
der Düse 41 am
kleinsten. Insbesondere hat die Innenwandfläche der Düse 41, wie in 3B dargestellt,
wenigstens zwei konische Winkel α1, α2 (siehe
den japanischen Industriestandard B 0612) und ist einer zweistufigen Konusform
ausgebildet, sodass ein inneres Radialmaß d1 zum Verengungsabschnitt 41a hin
kleiner wird. Ferner ist ein oberer Endabschnitt des Nadelventils 44 in
einer ungefähren
Konusform ausgebildet, sodass eine Querschnittsfläche des
Nadelventils 44 zum oberen Ende davon hin kleiner wird.
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Es
werden nun Funktionswirkungen der Ejektorpumpe 40 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
beschrieben. Wie in 3A, 3B dargestellt,
wird die Querschnittsfläche
des durch die Düse 41 und
das Nadelventil 44 definierten Kältemitteldurchgangs zum Drosselabschnitt 41c hin
kleiner. Deshalb wird eine Strömungsgeschwindigkeit
des vom Kühler 20 in
die Düse 41 strömenden Kältemittels
zum Drosselabschnitt 41c hin größer, wobei eine Strömungsmenge
des Kältemittels
zu einer durch den Öffnungsgrad
der Düse 41 bestimmten
Strömungsmenge
wird. Andererseits wird die Querschnittsfläche des Kältemitteldurchgangs vom Drosselabschnitt 41c zum
stromabwärtigen
Ende des Nadelventils 44 hin etwas größer. Jedoch ist eine Vergrößerungsrate
der Querschnittsfläche
im Kältemitteldurchgang
vom Drosselabschnitt 41c zum stromabwärtigen Ende des Nadelventils 44 hin
im Vergleich zum Expansionsabschnitt 41b gering. Deshalb wird
im Kältemitteldurchgang
zwischen dem Drosselabschnitt 41c und dem stromabwärtigen Ende
des Nadelventils 44 keine Kältemittelströmungsbeschleunigung
durch Expansion und Verdampfung des Kältemittels verursacht und in
den Geschwindigkeitsgrenzschichten des auf und um eine Oberfläche des Nadelventils 44 strömenden Kältemittels
wird keine große
Turbulenz erzeugt.
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Ferner
wird die Querschnittsfläche
des Kältemitteldurchgangs
in der Düse 41 vom
oberen Ende des Nadelventils 44 zum Verengungsabschnitt 41a hin
kleiner. Deshalb wird der Kältemittelstrom
zwischen dem oberen Ende des Nadelventils 44 und dem Verengungsabschnitt 41a gedrosselt
und beschleunigt, wobei eine geringe Turbulenz, die zwischen dem
Drosselabschnitt 41c und dem oberen Ende des Nadelventils 44 erzeugt
wird, gerichtet wird. Weiter strömt
das gerichtete Kältemittel
durch den Verengungsabschnitt 41a und strömt in den
Erweiterungsabschnitt 41b. Dann wird das Kältemittel im
Erweiterungsabschnitt 41b ausgedehnt und wird auf eine
Geschwindigkeit gleich oder höher
als die Schallgeschwindigkeit beschleunigt. Hierbei kann, da das
durch den Verengungsabschnitt 41a gelangende Kältemittel
eine geringe Turbulenz besitzt, ein durch die Turbulenz erzeugter
Wirbelstromverlust im Erweiterungsabschnitt 41b eingeschränkt werden.
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Das
Kältemittel
aus dem Kühler 20 wird
in der Ejektorpumpe 41 stromauf des Verengungsabschnitts 41a in
ein Gas/Flüssigkeit-Zweiphasenkältemittel
dekomprimiert. Deshalb werden, wie in 4 dargestellt,
stromauf des Verengungsabschnitts 41a erzeugte Kältemittelblasen
zum Verengungsabschnitt 41a hin stärker komprimiert. Dann wird
die Anzahl der Kältemittelblasen
verringert und am Verengungsabschnitt 41a werden Siedekerne
erzeugt. Wenn das Kältemittel
durch den Verengungsabschnitt 41a in den Erweiterungsabschnitt 41b strömt, werden
die Siedekerne wieder gesiedet, wodurch ein Kältemittelsieden im Erweiterungsabschnitt 41b erleichtert
und das Kältemittel
gleich oder höher
als die Schallgeschwindigkeit beschleunigt wird. Im ersten Ausführungsbeispiel
wird eine Strömungsmenge
des Kältemittels
nicht durch direktes Verändern
der Querschnittsfläche
des Kältemitteldurchgangs
im Verengungsabschnitt 41a eingestellt. Tatsächlich wird
das Kältemittel
im Kältemitteldurchgang
stromauf des Verengungsabschnitts 41a in das Gas/Flüssigkeit-Zweiphasenkältemittel
dekomprimiert und im Gas/Flüssigkeit-Kältemittel
werden Kältemittelblasen erzeugt,
sodass eine Dichte des Kältemittels
reduziert wird. Demgemäß wird die
Querschnittsfläche des
Kältemitteldurchgangs
in der Düse 41 relativ
verkleinert. Daher kann die Strömungsmenge
des Kältemittels
eingestellt werden und eine Drosselung des Kältemitteldurchgangs um mehr
als ein notwendiges Maß kann
verhindert werden.
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Demgemäß kann verhindert
werden, wie auf der rechten Seite in 5 dargestellt
(Testergebnis der vorliegenden Erfindung), dass der Ejektorpumpenwirkungsgrad ηe stark
reduziert wird.
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In 5 stellt „fest" eine Düse mit einer
festen Form dar, die für
eine Strömungsmenge
eines Kältemittels
am besten geeignet ist, und „Steuerung" stellt eine Düse mit einem
durch das Nadelventil 44 gedrosselten Kältemitteldurchgang dar. In
der vorliegenden Erfindung kann der Ejektorpumpenwirkungsgrad ηe verbessert
werden, da das Kältemittel
durch die Düse 41 genau
und ausreichend beschleunigt werden kann. Als Ergebnis kann der
Drosselgrad der Düse 41 entsprechend
einer Kältemittelströmungsmenge
gesteuert werden, während
der Ejektorpumpenwirkungsgrad ηe
auf einem hohen Niveau gehalten werden kann.
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Ferner
ist ein Vergleichstestergebnis auf der linken Seite in 5 gezeigt
und der Ejektorpumpenwirkungsgrad ηe einer Kältemittelejektorpumpe ist im Vergleich
zum vorliegenden Ausführungsbeispiel stark
reduziert. Der Vergleichstest wurde unter Verwendung einer in 6, 7 gezeigten
Düse 410 durchgeführt. Wie
in 6 dargestellt, untersuchten die Erfinder der vorliegenden
Erfindung eine Vergleichsejektorpumpe 410 mit einem Nadelventil 440 zum
Einstellen eines Drosselgrades der Düse 410. Das Nadelventil 440 hat
ein konusförmiges
oberes Ende und wird in der Düse 410 verschoben,
um den Drosselgrad einzustellen. In diesem Fall strömt das an
und um die Oberfläche
des Nadelventils 440 strömende Kältemittel entlang der Oberfläche des
konusförmigen
oberen Endes des Nadelventils 440. Deshalb stoßen die
Kältemittelströme entlang
der Oberfläche
des konusförmigen
oberen Endes stromab des oberen Endes des Nadelventils 440 zusammen. So
wird ein Wirbelstromverlust durch eine Kältemittelturbulenz in den Kältemittelströmen und
den Geschwindigkeitsgrenzschichten des Kältemitteldurchgangs stromab
des Nadelventils 440 erzeugt. Demgemäß wird eine Kältemittelströmungsgeschwindigkeit
auch auf einer mittleren Axiallinie der Düse 410 in einem Erweiterungsabschnitt 410b der
Düse 410 verringert.
Ursprünglich
wurde die Kältemittelströmungsgeschwindigkeit
auf der mittleren Axiallinie am höchsten. Deshalb kann das Kältemittel
durch die Düse 410 nicht
ausreichend beschleunigt werden und der Ejektorpumpenwirkungsgrad ηe ist verringert.
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Andererseits
werden, wie in 7 dargestellt, falls die Querschnittsfläche des
Kältemitteldurchgangs
am Verengungsabschnitt 410a einfach so gesteuert wird,
dass die Querschnittsfläche
eines Raums um die Düse 410 am
Verengungsabschnitt 410a am kleinsten ist, Kältemittelblasen
durch ein Kältemittelsieden
stromab des Verengungsabschnitts 410a einfach erzeugt.
Wenn die Kältemittelblasen
im Kältemitteldurchgang
stromab des Verengungsabschnitts 410a erzeugt werden, wird
die Querschnittsfläche
des Kältemitteldurchgangs
stromab des Verengungsabschnitts 410a aufgrund der Kältemittelblasen
deutlich reduziert. Daher wird der Kältemitteldurchgang mehr als
ein notwendiges Maß gedrosselt
und der Ejektorpumpenwirkungsgrad ηe wird im Vergleich zur Ejektorpumpe
mit einer festen Düse
stark verringert. Hierbei kann das Kältemittel in der Düse 410 auf
einen Druck höher
als ein Sättigungsdampfdruck
des Kältemittels
dekomprimiert werden, um die Erzeugung der Blasen zu verhindern. Ein
adiabatischer Wärmeabfall
(Enthalpieänderungsmaß) aufgrund
der Dekompression um den Sättigungsdampfdruck
ist klein. Deshalb ist es für
die Ejektorpumpe 400 schwierig eine ausreichende Energiemenge
wiederzugewinnen. Außerdem
kann, da die Pumpfunktion der Ejektorpumpe 400 klein ist, eine
ausreichende Kältemittelmenge
nicht zum Verdampfapparat 30 zirkuliert werden.
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Gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird das Kältemittel stromauf des Verengungsabschnitts 41a zu
dem Gas/Flüssigkeit-Zweiphasenkältemittel
dekomprimiert. Deshalb kann verhindert werden, dass das Kältemittel
um mehr als ein notwendiges Maß gedrosselt
wird, wodurch der Ejektorpumpenwirkungsgrad effektiv verbessert
werden kann.
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(Zweites Ausführungsbeispiel)
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Im
oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel
ist, wie in 3B dargestellt, die Innenwandfläche der
Düse 41 in
die zweistufige Konusform geformt, um zwei konische Winkel α1, α2 zu haben,
sodass das innere Radialmaß d1
zum Verengungsabschnitt 41a hin kleiner wird. Im zweiten
Ausführungsbeispiel,
das nicht im Schutzumfang der beanspruchten Erfindung liegt, hat
jedoch die Innenwandfläche, wie
in 8 dargestellt, einen konischen Winkel, der zum
Verengungsabschnitt 41a hin allmählich kleiner wird, und sie
ist in einer stufenlosen Konusform so geformt, dass das innere Radialmaß d1 zum
Verengungsabschnitt 41a hin kleiner wird. Demgemäß wird die
Querschnittsfläche
des Kältemitteldurchgangs
in der Düse 41 gleichmäßig und
fortlaufend verändert und
die Erzeugung einer Turbulenz im Kältemittelstrom kann weiter
eingeschränkt
werden.
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Im
zweiten Ausführungsbeispiel
sind die anderen Teile ähnlich
jenen des oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels. Demgemäß wird das Kältemittel
analog zum ersten Ausführungsbeispiel stromauf
des Verengungsabschnitts 41a in den Gas/Flüssigkeit-Zweiphasenzustand
dekomprimiert.
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(Drittes Ausführungsbeispiel)
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Im
dritten Ausführungsbeispiel,
das nicht im Schutzumfang der beanspruchten Erfindung liegt, ist die
Innenwandfläche
der Düse 41,
wie in 9A, 9B dargestellt,
als eine gleichmäßig gekrümmte Oberfläche geformt,
sodass das Kältemittel
stromauf des Verengungsabschnitts 41a in den Gas/Flüssigkeit-Zweiphasenzustand
dekomprimiert wird. In 9A, 9B zeigt 41d einen
stromaufwärtigen Abschnitt
des Verengungsabschnitts 41a an, in dem das innere Radialmaß d1 zum
Verengungsabschnitt 41a hin kleiner wird. Weiter sind die
Düse 41,
der Mischabschnitt 42 und der Diffusor 43 in der
Ejektorpumpe 40 so eingestellt, dass sie die in 9B gezeigten
Querschnittsflächen
haben.
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Im
dritten Ausführungsbeispiel
sind die anderen Teile ähnlich
jenen des oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels. Demgemäß wird das Kältemittel
analog zum ersten Ausführungsbeispiel stromauf
des Verengungsabschnitts 41a zum Gas/Flüssigkeit-Zweiphasenzustand
dekomprimiert.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung in Zusammenhang mit ihrem ersten Ausführungsbeispiel
unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen vollständig beschrieben
worden ist, ist zu beachten, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen
für den Fachmann
offensichtlich sein werden.
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Zum
Beispiel sind in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden
Erfindung die Form des oberen Endes des Nadelventils 44 und
die Form der Innenwand der Düse 41 so
eingestellt, dass der Drosselabschnitt 41c stromauf des Verengungsabschnitts 41a ausgebildet
ist und das Kältemittel
stromauf des Verengungsabschnitts 41a zum Gas/Flüssigkeit-Kältemittel
dekomprimiert wird. Ohne auf diese Art beschränkt zu sein, können jedoch
die Form des oberen Endes des Nadelventils 44 und die Form
der Innenwand der Düse 41 auch
nur so bestimmt werden, dass das Kältemittel stromauf des Verengungsabschnitts 41a zum
Gas/Flüssigkeit-Zweiphasenkältemittel
dekomprimiert wird. In den obigen Ausführungsbeispielen wird der Druck des
Hochdruckkältemittels
als eine physikalische Größe entsprechend
dem Kältemitteldruck
im Kühlkreis
erfasst und der Stellantrieb 45 wird basierend auf dem
erfassten Kältemitteldruck
gesteuert. In der vorliegenden Erfindung kann der Stellantrieb 45 jedoch
auch basierend auf einer physikalischen Größe in Zusammenhang mit dem
Kältemitteldruck,
wie beispielsweise einer Temperatur des Hochdruckkältemittels,
einer Temperatur des Wassers für
die Wasserheizvorrichtung und einer Menge des in die Düse 41 strömenden Kältemittels,
gesteuert werden.
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In
den obigen Ausführungsbeispielen
wird der Drosselgrad der Düse 41 so
gesteuert, dass das Hochdruckkältemittel
auf den vorbestimmten Druck eingestellt ist. Der Drosselgrad kann
jedoch zum Beispiel auch so gesteuert werden, dass ein Verhältnis der
Heizleistung des Kühlers 20 zu
einer durch den Kompressor 10 verbrauchten Antriebsenergie,
d.h. ein Leistungskoeffizient des Ejektorpumpenkreises, höher als
ein vorbestimmter Wert eingestellt ist. In den oben beschriebenen
Ausführungsbeispielen
ist die vorliegende Erfindung typischerweise auf die Wasserheizvorrichtung
angewendet. Ohne auf die Wasserheizvorrichtung beschränkt zu sein,
kann die vorliegende Erfindung jedoch auch auf einen anderen Ejektorpumpenkreis,
wie beispielsweise eine Kühlvorrichtung,
eine Gefriervorrichtung und eine Klimaanlage angewendet werden.
Der Stellantrieb 45 kann ein mechanischer Stellantrieb
sein, der den Druck von Inertgas nutzt, oder kann ein nicht-elektromagnetischer
elektrischer Stellantrieb sein, der piezoelektrische Elemente nutzt.
Zum Beispiel ist der elektrische Stellantrieb ein Schrittmotor oder
ein Linearsolenoidmotor.
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Solche Änderungen
und Modifikationen liegen selbstverständlich im Schutzumfang der
vorliegenden Erfindung, wie er durch die anhängenden Ansprüche definiert
ist.