DE102004029088B4

DE102004029088B4 - Ejektorpumpenkreis

Info

Publication number: DE102004029088B4
Application number: DE102004029088.1A
Authority: DE
Inventors: Haruyuki Nishijima; Hirotsugu Takeuchi; Makoto Ikegami
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2004-06-16
Publication date: 2020-07-30
Anticipated expiration: 2024-06-17
Also published as: JP2005009757A; DE102004029088A1; US6877339B2; US20040255611A1; JP4114554B2

Abstract

Ejektorpumpenkreis, miteinem Kompressor (10) zum Komprimieren eines Kältemittels;einem Hochdruck-Wärmetauscher (20) zum Kühlen des aus dem Kompressor (10) ausgegebenen Hochdruck-Kältemittels;einem Niederdruck-Wärmetauscher (30) zum Verdampfen des Niederdruck-Kältemittels nach der Dekompression;einer auf einer Kältemittelauslassseite des Hochdruck-Wärmetauschers (20) angeordneten verstellbaren Drosselvorrichtung (60);einer Ejektorpumpe (40) mit einer Düse (41) zum Dekomprimieren und Dehnen des aus der verstellbaren Drosselvorrichtung (60) strömenden Kältemittels durch Umwandeln von Druckenergie des Kältemittels in Geschwindigkeitsenergie des Kältemittels und einem Druckerhöhungsabschnitt (42, 43), der angeordnet ist, um einen Druck des Kältemittels durch Umwandeln der Geschwindigkeitsenergie des Kältemittels in die Druckenergie des Kältemittels zu erhöhen, wobei das aus der Düse (41) gestrahlte Kältemittel und das aus dem Niederdruck-Wärmetauscher (30) über eine Kältemittelansaugöffnung (42a) des Ejektors (40) angesaugte Kältemittel vermischt werden, undeiner Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung (50) zum Trennen des Kältemittels aus der Ejektorpumpe in gasförmiges Kältemittel und flüssiges Kältemittel, wobei die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung einen mit einer Kältemittelsaugseite des Kompressors (10) verbundenen Gaskältemittelauslass und einen mit einer Kältemitteleinlassseite des Niederdruck-Wärmetauschers (30) verbundenen Flüssigkältemittelauslass aufweist,wobei die verstellbare Drosselvorrichtung (60) eine Gegendruckkammer (62) mit einem Innendruck, der sich durch Erfassen einer Kältemitteltemperatur auf einer Kältemittelauslassseite des Niederdruck-Wärmetauschers (30) ändert, eine Federplatte (63) zum Definieren der Gegendruckkammer (62) und einen Ventilkörper (61), der entsprechend einer Bewegung der Federplatte verschoben wird, um einen Drosselöffnungsgrad zu ändern, und eine Verbindungsstange (64) zum Verbinden der Federplatte (63) und des Ventilkörpers (61) enthält; wobeiein Teil der Verbindungsstange (64) in einem Kältemitteldurchgang angeordnet ist, durch den das von der Kältemittelansaugöffnung (42a) des Ejektors (40) angesaugte Kältemittel derart strömt, dass die Kältemitteltemperatur an der Kältemittelauslassseite des Niederdrucks-Wärmetauschers (30) von der Verbindungsstange (64) erfasst wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ejektorpumpenkreis mit einer Ejektorpumpe. In dem Ejektorpumpenkreis ist eine verstellbare Drosselvorrichtung stromauf einer Düse der Ejektorpumpe angeordnet, sodass ein Hochdruck-Kältemittel in der verstellbaren Drosselvorrichtung vor der Dekompression in der Düse dekomprimiert wird.
Beschreibung des Standes der Technik
In einem Ejektorpumpenkreis wird ein Kältemittel in einer Düse einer Ejektorpumpe dekomprimiert und gedehnt, sodass ein in einem Verdampfapparat verdampftes gasförmiges Kältemittel angesaugt wird und der Druck des in einen Kompressor zu saugenden Kältemittels durch Umwandeln von Expansionsenergie in Druckenergie davon erhöht wird. In der Düse der Ejektorpumpe wird die Druckenergie des Kältemittels in die Geschwindigkeitsenergie davon umgewandelt. Weil das durch die Düse strömende Kältemittel dekomprimiert wird, um die Sättigungsflüssigkeitslinie zu schneiden, siedet ferner das Kältemittel nahe einer einen Drosselabschnitt der Düse definierenden Innenwandfläche. Andererseits sind in einem von der Innenwandfläche der Düse getrennten Mittelabschnitt, weil das Kältemittel schwierig zu sieden ist, Flüssigkeitstropfen des Kältemittels schwierig winzig zu bekommen. Deshalb kann eine Düsenleistung und eine Ejektorpumpenleistung in dem Ejektorpumpenkreis vermindert sein.
Um dieses Problem zu überwinden, ist in der JP 5-149652 A eine feste Drosselvorrichtung stromauf einer Düse in einer Ejektorpumpe angeordnet, sodass das Kältemittel durch die feste Drosselvorrichtung und die Düse in zwei Schritten dekomprimiert wird. D.h. das Kältemittel siedet einmal in der festen Drosselvorrichtung in der ersten Stufe und das Kältemittel wird an einem Einlass der Düse gedehnt, um so in der Düse in dem zweiten Schritt unter Erzeugung eines Blasenkerns zu sieden. In der Ejektorpumpe kann, weil die erste Drosselvorrichtung die feste Drosselvorrichtung ist, eine Strömungsmenge nicht eingestellt werden. Deshalb können die Düsenleistung und die Ejektorpumpenleistung des Ejektorpumpenkreises nicht in einem weiten Lastschwankungsbereich verbessert werden.
EP 1 134517 A2 beschreibt ein Ejektorkreissystem, weist eien Ejektor auf, in dem hochdruckseitiges Kältemittel dekomprimiert und expandiert wird, so dass in dem Verdampfer verdampftes Kältemittel angesaugt wird und ein vom Verdichter anzusaugender Kältemitteldruck durch Umwandeln von Expansionsenergie in Druckenergie erhöht wird.
US 6 438 993 B2 beschreibt ein weiteres Ejektorkreissystem mit einem Ejektor.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In Anbetracht der obigen Probleme ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ejektorpumpenkreis mit einer Ejektorpumpe vorzusehen, welcher eine Ejektorpumpenleistung und eine Düsenleistung in einem weiten Lastschwankungsbereich des Ejektorpumpenkreises effektiv verbessert.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ejektorpumpenkreis mit einer verstellbaren Drosselvorrichtung stromauf einer Ejektorpumpe vorzusehen, welcher unter Verhinderung einer Beschädigung einer Federplatte in der verstellbaren Drosselvorrichtung effektiv betrieben werden kann.
Diese Aufgaben werden durch einen Ejektorpumpenkreis mit den im Patentanspruch 1 genannten Aufgaben gelöst.
Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein Ejektorpumpenkreis einen Kompressor zum Komprimieren eines Kältemittels, einen Hochdruck-Wärmetauscher zum Kühlen des aus dem Kompressor ausgegebenen Hochdruck-Kältemittels, einen Niederdruck-Wärmetauscher zum Verdampfen des Niederdruck-Kältemittels nach der Dekompression, eine an einer Kältemittelauslassseite des Hochdruck-Wärmetauschers angeordnete verstellbare Drosselvorrichtung, eine Ejektorpumpe und eine Gas/ Flüssigkeit-Trennvorrichtung zum Trennen des Kältemittels aus der Ejektorpumpe in gasförmiges Kältemittel und flüssiges Kältemittel. Die Ejektorpumpe enthält eine Düse zum Dekomprimieren und Dehnen des aus der verstellbaren Drosselvorrichtung strömenden Kältemittels durch Umwandeln der Druckenergie des Kältemittels in Geschwindigkeitsenergie des Kältemittels und einen Druckerhöhungsabschnitt, der angeordnet ist, um einen Druck des Kältemittels durch Umwandeln der Geschwindigkeitsenergie des Kältemittels in die Druckenergie des Kältemittels zu erhöhen, wobei das aus der Düse gestrahlte Kältemittel und das aus dem Niederdruck-Wärmetauscher angesaugte Kältemittel vermischt werden. In dem Ejektorpumpenkreis enthält die verstellbare Drosselvorrichtung eine Gegendruckkammer mit einem Innendruck, der sich durch Erfassen einer Kältemitteltemperatur an einer Kältemittelauslassseite des Niederdruck-Wärmetauschers ändert, und eine Druckeinleitungseinrichtung zum Einleiten eines Kältemitteldrucks auf der Kältemittelauslassseite des Niederdruck-Wärmetauschers zu einer der Gegendruckkammer abgewandten Seite.
Weil die verstellbare Drosselvorrichtung stromauf der Düse der Ejektorpumpe vorgesehen ist, ist es möglich, das Kältemittel vor der Einleitung in die Düse der Ejektorpumpe geeignet zu dekomprimieren. Demgemäß können die Ejektorpumpenleistung und die Düsenleistung in einem weiten Lastschwankungsbereich des Ejektorpumpenkreises effektiv verbessert werden, wobei eine ausreichende Kühlleistung in dem Ejektorpumpenkreis erzielt werden kann. Zusätzlich wird der Kältemitteldruck auf der Kältemittelauslassseite des Niederdruck-Wärmetauschers an die der Gegendruckkammer abgewandte Seite in der verstellbaren Drosselvorrichtung angelegt, wodurch ein Druckunterschied zwischen der Gegendruckkammer und der der Gegendruckkammer abgewandten Seite kleiner gemacht werden kann. Im Allgemeinen enthält die verstellbare Drosselvorrichtung eine Federplatte zum Definieren der Gegendruckkammer und einen entsprechend einer Bewegung der Federplatte verschiebbaren Ventilkörper, um einen Drosselöffnungsgrad zu verändern. In diesem Fall ist die Druckeinleitungseinrichtung vorgesehen, um den Kältemitteldruck auf der Kältemittelauslassseite des Niederdruck-Wärmetauschers zu der der Gegendruckkammer bezüglich der Federplatte abgewandten Seite zu leiten. Demgemäß können die Druckänderungseigenschaften des in der Gegendruckkammer eingeschlossenen Gases geeignet gemacht werden und eine Beschädigung der Federplatte durch den Druckunterschied kann verhindert werden.
Vorzugsweise weist die verstellbare Drosselvorrichtung eine Temperaturübertragungseinrichtung zum Übertragen der Kältemitteltemperatur auf der Kältemittelauslassseite des Niederdruck-Wärmetauschers zu der Gegendruckkammer auf. Deshalb kann der Ventilkörper den Drosselöffnungsgrad entsprechend einem Überhitzungsgrad des Kältemittels auf der Kältemittelauslassseite des Niederdruck-Wärmetauschers verändern.
Zum Beispiel ist die Druckeinleitungseinrichtung ein Kältemittelaußenrohr, durch welches die Kältemittelauslassseite des Niederdruck-Wärmetauschers mit einem der Gegendruckkammer bezüglich der Federplatte abgewandten Raum in Verbindung steht. Alternativ ist ein Teil einer Verbindungsstange, die zwischen der Federplatte und dem Ventilkörper verbunden ist, in einem Kältemittelkanal ausgesetzt, durch welches das Kältemittel von der Kältemittelauslassseite des Niederdruck-Wärmetauschers strömt, und wird als die Druckeinleitungseinrichtung verwendet.
Figurenliste
Obige sowie weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ejektorpumpenkreises mit einer Ejektorpumpe und einer verstellbaren Drosselvorrichtung gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 eine vergrößerte schematische Darstellung der Konstruktion der verstellbaren Drosselvorrichtung in dem Ejektorpumpenkreis gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
3 ein Mollier-Diagramm (p-h-Diagramm) zur Erläuterung des Dekompressionsvorgangs der verstellbaren Drosselvorrichtung und der Düse der Ejektorpumpe in dem Ejektorpumpenkreis gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
4 eine schematische Schnittansicht einer verstellbaren Drosselvorrichtung in einem Ejektorpumpenkreis gemäß einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine schematische Darstellung eines Ejektorpumpenkreises mit einer verstellbaren Drosselvorrichtung in einem Vergleichsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
6 eine vergrößerte schematische Darstellung der verstellbaren Drosselvorrichtung in dem Ejektorpumpenkreis von 5.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER DERZEIT BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die anhängenden Zeichnungen beschrieben.
(Erstes Ausführungsbeispiel)
Im ersten Ausführungsbeispiel wird ein Ejektorpumpenkreis typischerweise als Dampfkompressionskühler für eine Vitrine zum Kühlen und Gefrieren von Speisen und Getränken oder als Dampfkompressionskühler in einem Fahrzeug zum Transportieren von Speisen und Getränken, während sie in einem Kühl- oder Gefrierzustand gehalten werden, verwendet. Wie in 1 dargestellt, ist ein Kompressor 10 ein elektrischer Kompressor zum Ansaugen und Komprimieren eines in dem Ejektorpumpenkreis zirkulierenden Kältemittels. Ein Kondensator (Kühler) 20 ist ein Hockdruck-Wärmetauscher zum Kühlen des aus dem Kompressor 10 ausgegebenen Hochtemperatur-Hochdruck-Kältemittels durch Durchführen eines Wärmetauschvorgangs zwischen Außenluft und dem Hochtemperatur-Hochdruck-Kältemittel.
Ferner ist ein Verdampfapparat 30 ein Niederdruck-Wärmetauscher zum Kühlen der in die Vitrine zu blasenden Luft durch Verdampfen des flüssigen Kältemittels, insbesondere durch Durchführen eines Wärmetauschvorgangs zwischen der Luft und dem Niederdruck-Kältemittel. Eine Ejektorpumpe 40 saugt das in dem Verdampfapparat 30 verdampfte Kältemittel an, wobei das aus dem Kondensator 20 strömende Kältemittel in einer Düse 41 dekomprimiert und gedehnt wird, und erhöht den Druck des in den Kompressor 10 zu saugenden Kältemittels durch Umwandeln von Expansionsenergie in Druckenergie davon.
Die Ejektorpumpe 40 enthält die Düse 41, einen Mischabschnitt 42 und einen Diffusor 43. Die Düse 41 dekomprimiert und dehnt das in die Ejektorpumpe 40 strömende Hochdruck-Kältemittel mit konstanter Enthalpie durch Umwandeln von Druckenergie des Hochdruck-Kältemittels aus dem Kondensator 20 in Geschwindigkeitsenergie davon. Der Mischabschnitt 42 saugt das in dem Verdampfapparat 30 verdampfte Kältemittel unter Verwendung einer Mitreißfunktion des aus der Düse 41 eingespritzten Hochgeschwindigkeits-Kältemittelstroms an und vermischt das angesaugte Kältemittel und das aus der Düse 41 gestrahlte Kältemittel. Ferner vermischt der Diffusor 43 das aus der Düse 41 eingespritzte Kältemittel und das aus dem Verdampfapparat 30 angesaugte Kältemittel und erhöht den Kältemitteldruck durch Umwandeln von Geschwindigkeitsenergie des gemischten Kältemittels in Druckenergie davon.
In dem Mischabschnitt 42 werden ein Antriebsstrom des Kältemittels aus der Düse 41 und ein Saugstrom des Kältemittels aus dem Verdampfapparat 30 so vermischt, dass ihre Impulssumme erhalten bleibt, wodurch der Kältemitteldruck erhöht wird. In dem Diffusor 43 wird, weil eine Querschnittsfläche des Kältemittelkanals allmählich zu seiner Auslassseite größer wird, die Kältemittelgeschwindigkeitsenergie (dynamischer Druck) in Kältemitteldruckenergie (statischer Druck) umgewandelt. Daher wird in der Ejektorpumpe 40 der Kältemitteldruck durch sowohl den Mischabschnitt 42 als auch den Diffusor 43 erhöht. Demgemäß ist in der Ejektorpumpe 40 ein Druckerhöhungsabschnitt aus dem Mischabschnitt 42 und dem Diffusor 43 aufgebaut.
Im ersten Ausführungsbeispiel ist eine „Lavaldüse“ (siehe ‚Fluid Engineering‘ von Tokyo University Publication) als Düse 41 eingesetzt, um das aus der Düse 41 eingespritzte Kältemittel gleich oder höher als die Schallgeschwindigkeit zu beschleunigen. Hierbei enthält die Lavaldüse 41 eine Drosselvorrichtung mit der kleinsten Kanalfläche in ihrem Kältemittelkanal. Jedoch kann auch eine zu ihrer Auslassseite konisch verjüngte Düse als die Düse 41 verwendet werden.
In 1 wird ein Kältemittel aus der Ejektorpumpe 40 ausgegeben und strömt in eine Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 50. Die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 50 trennt das Kältemittel aus der Ejektorpumpe 40 in gasförmiges Kältemittel und flüssiges Kältemittel und speichert das getrennte gasförmige Kältemittel und das getrennte flüssige Kältemittel darin. Die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 50 enthält einen mit einer Ansaugöffnung des Kompressors 10 verbundenen Gaskältemittelauslass und einen mit einer Einlassseite des Verdampfapparats 30 verbundenen Flüssigkältemittelauslass. Demgemäß strömt in dem Ejektorpumpenkreis das flüssige Kältemittel in den Verdampfapparat 30, während das Kältemittel aus dem Kondensator 20 in der Düse 41 der Ejektorpumpe 40 dekomprimiert wird.
Eine Drosselvorrichtung ist im Allgemeinen zwischen der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 50 und dem Verdampfapparat 30 zum Dekomprimieren des aus der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 50 zu dem Verdampfapparat 30 strömenden Kältemittels angeordnet. Ferner kann ein Ölrückführkanal in der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 50 vorgesehen sein, sodass ein durch die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 50 getrenntes Schmieröl zu dem Kompressor 10 gesaugt werden kann.
Eine verstellbare Drosselvorrichtung 60 ist in einem Kältemittelkanal zwischen dem Kondensator 20 und der Ejektorpumpe 40 angeordnet. Die verstellbare Drosselvorrichtung 60 ist ein stromauf der Düse 41 der Ejektorpumpe 40 angeordnetes Expansionsventil, welches das aus dem Kondensator 20 strömende Hochdruck-Kältemittel in einen Gas/Flüssigkeit-Zweiphasenzustand dekomprimiert. Die verstellbare Drosselvorrichtung 60 steuert ihren Drosselöffnungsgrad so, dass ein Überhitzungsgrad des Kältemittels auf einer Kältemittelauslassseite des Verdampfapparats 30 in einem vorbestimmten Bereich (z.B. 0,1 - 10 Grad) liegt.
Insbesondere enthält die verstellbare Drosselvorrichtung 60 einen Ventilkörper 61 zum Verändern eines Drosselöffnungsgrades, eine Dünnschicht-Federplatte 63, eine Verbindungsstange 64, eine Feder 65, eine Stellschraube 68 und ein Außenrohr 67. Die Dünnschicht-Federplatte 63 ist so konstruiert, dass sie eine Gegendruckkammer 62 mit einem Innendruck, der sich durch Erfassen einer Kältemitteltemperatur auf einer Kältemittelauslassseite des Verdampfapparats 30 ändert, und eine der Gegendruckkammer 62 bezüglich der Federplatte 63 abgewandte Druckkammer 66 definiert. Die Verbindungsstange 64 ist mit dem Ventilkörper 61 und der Federplatte 63 verbunden, sodass eine Verschiebung der Federplatte 63 auf den Ventilkörper 61 übertragen wird. Die Feder 65 ist so vorgespannt, dass ihre Federkraft auf den Ventilkörper 61 in eine Richtung wirkt, in der das Volumen der Gegendruckkammer 62 verringert wird. Das Außenrohr 67 ist eine Druckeinleitungseinrichtung zum Einleiten eines Kältemitteldrucks auf der Kältemittelauslassseite des Verdampfapparats 30 zu der der Gegendruckkammer 62 bezüglich der Federplatte 63 abgewandten Druckkammer 66.
Die Gegendruckkammer 62 steht mit einem Temperaturerfassungsabschnitt 62a in Verbindung, der eine Kältemitteltemperatur auf der Kältemittelauslassseite des Verdampfapparats 30 erfasst, sodass die Kältemitteltemperatur auf der Kältemittelauslassseite des Verdampfapparats 30 durch den Temperaturerfassungsabschnitt 62a zu der Gegendruckkammer 62 übertragen wird.
In diesem Ausführungsbeispiel sind der Ventilkörper 61, die Federplatte 63 und die Verbindungsstange 64 aus einem Metall wie beispielsweise rostfreiem Stahl gemacht, und ein Ventilgehäuseelement 69 zum Bilden der Gegendruckkammer oder der Druckkammer 66 ist aus einem Metall wie beispielsweise Aluminium gemacht.
Ferner ist die Stellschraube 68 so angeordnet, dass sie eine Fertigungsdifferenz der verstellbaren Drosselvorrichtung 60 aufnimmt und die auf die Federplatte 63 ausgeübte Federkraft so einstellt, dass ein Überhitzungsgrad des Kältemittels auf der Kältemittelauslassseite des Verdampfapparats 30 in einem vorbestimmten Bereich liegt. Zusätzlich ist ein Dichtungselement 64a aus Gummi oder Harz angebracht, um die Druckkammer 66 abzudichten.
Das Ventilgehäuseelement 69 der verstellbaren Drosselvorrichtung 60 ist mit der Ejektorpumpe 40 integriert, sodass ein aus der verstellbaren Drosselvorrichtung 60 und der Ejektorpumpe 40 aufgebautes Dekompressionselement verkleinert werden kann.
Als nächstes wird nun die Funktionsweise der verstellbaren Drosselvorrichtung 60 beschrieben.
Im Allgemeinen ist das gleiche gasförmige Kältemittel wie das zirkulierende Kältemittel in der Gegendruckkammer 62 mit einer vorbestimmten Flüssigkeitsdichte eingeschlossen. Deshalb ändert sich ein Druck Pf in der Gegendruckkammer 62, um zu einem Sättigungsdruck bei einer Kältemitteltemperatur an der Kältemittelauslassseite des Verdampfapparats 30 zu werden. So verschiebt sich die Federplatte 63 entsprechend einem Gleichgewicht zwischen dem Druck Pf in der Gegendruckkammer 62, dem Druck Po in der Druckkammer 66 und der Federkraft Fp der Feder 65. Die Federkraft Fp der Feder 65 ist so ausgewählt, dass ein Kältemittel-Überhitzungsgrad an der Kältemittelauslassseite des Verdampfapparats 30 in einem vorbestimmten Bereich liegt. Demgemäß kann der Drosselöffnungsgrad der verstellbaren Drosselvorrichtung 60 so gesteuert werden, dass der Kältemittel-Überhitzungsgrad auf der Kältemittelauslassseite des Verdampfapparats 30 in dem vorbestimmten Bereich liegt.
Wenn zum Beispiel der Druck in dem Verdampfapparat 30, d.h. die Wärmelast in dem Verdampfapparat 30 höher wird, sodass der Kältemittel-Überhitzungsgrad auf der Kältemittelauslassseite des Verdampfapparats 30 höher wird, wird der Drosselöffnungsgrad der verstellbaren Drosselvorrichtung 60 kleiner gemacht. In diesem Fall wird eine Strömungsgeschwindigkeit des aus der Düse 41 gestrahlten Kältemittels (Antriebsstrom) erhöht, wodurch eine in dem Verdampfapparat 30 zirkulierende Kältemittelmenge (Saugstrom-Kältemittel) vergrößert wird. Wenn dagegen der Druck in dem Verdampfapparat 30, d.h. die Wärmlast in dem Verdampfapparat 30 niedriger wird, sodass der Kältemittel-Überhitzungsgrad auf der Auslassseite des Verdampfapparats 30 niedriger wird, wird der Drosselöffnungsgrad der verstellbaren Drosselvorrichtung 60 größer gemacht. In diesem Fall wird eine Strömungsgeschwindigkeit des aus der Düse 41 gestrahlten Kältemittels (Antriebsstrom) verringert, wodurch die in dem Verdampfapparat 30 zirkulierende Kältemittelmenge (Saugstrom-Kältemittel) vermindert wird.
Als nächstes wird nun der Betrieb des Ejektorpumpenkreises gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
Wie in 1 dargestellt, zirkuliert das aus dem Kompressor 10 ausgegebene Kältemittel zu dem Kondensator 20. Dann wird das Hochdruck-Kältemittel in dem Kondensator 20 gekühlt und in der verstellbaren Drosselvorrichtung 60 mit konstanter Enthalpie zu einem Gas/Flüssigkeit-Zweiphasenzustand dekomprimiert. Anschließend wird das Kältemittel aus der verstellbaren Drosselvorrichtung 60 in der Düse 41 der Ejektorpumpe 40 mit konstanter Enthalpie weiter dekomprimiert, sodass die Kältemittelgeschwindigkeit am Auslass der Düse 41 der Ejektorpumpe 40 gleich oder höher als die Schallgeschwindigkeit wird. Danach strömt das Kältemittel aus dem Auslass der Düse 41 in den Mischabschnitt 42 der Ejektorpumpe 40.
3 zeigt einen Kältemitteldruck durch den Dekompressionsvorgang in zwei Schritten in dem Ejektorpumpenkreis. In 3 zeigt D1 einen Dekompressionsvorgang in der ersten Drosselvorrichtung mittels der verstellbaren Drosselvorrichtung 60, und D2 zeigt einen Dekompressionsvorgang in der zweiten Drosselvorrichtung mittels der Düse 41 der Ejektorpumpe 40. Das in die verstellbare Drosselvorrichtung 60 strömende Kältemittel wird durch die verstellbare Drosselvorrichtung 60 dekomprimiert, um so einmal an einer Einlassseite der Düse 41 zu sieden. Deshalb werden durch die verstellbare Drosselvorrichtung 60 Blasen erzeugt und Siedekerne werden erzeugt, nachdem die Blasen an der Einlassseite des Düse 41 verschwinden. Das Kältemittel mit den Siedekernen wird durch die Düse 41 weiter gesiedet, sodass feine Flüssigkeitstropfen (d.h. winzige Flüssigkeitstropfen) des Kältemittels erzeugt werden. Weil das Sieden des Kältemittels in der Düse 41 vereinfacht ist, kann die Erzeugung von winzigen Flüssigkeitstropfen des Kältemittels in der Düse 41 vereinfacht werden. Demgemäß kann die Düsenleistung effektiv verbessert werden.
Im ersten Ausführungsbeispiel wird Freon als Kältemittel verwendet, sodass ein Kältemitteldruck auf der Hochdruckseite niedriger als der kritische Druck des Kältemittels ist. Deshalb ist der in die Düse 41 strömende Kältemitteldruck niedriger als der kritische Druck des Kältemittels.
Der Mischabschnitt 42 saugt das in dem Verdampfapparat 30 verdampfte Kältemittel mittels der Mitreißfunktion des aus der Düse 41 eingespritzten Hochgeschwindigkeits-Kältemittelstroms an und vermischt das angesaugte Kältemittel und das eingespritzte Kältemittel darin. Ferner vermischt der Diffusor 43 das aus der Düse 41 eingespritzte Kältemittel und das aus dem Verdampfapparat 30 angesaugte Kältemittel und erhöht den Kältemitteldruck. Deshalb kann die Ejektorpumpenleistung verbessert werden. Demgemäß zirkuliert das Niederdruck-Kältemittel in der Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung 50 durch den Verdampfapparat 30 und den Druckerhöhungsabschnitt der Ejektorpumpe 40 in dieser Reihenfolge und kehrt zu der Gas/ Flüssigkeit-Trennvorrichtung 50 zurück.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird das Kältemittel durch die verstellbare Drosselvorrichtung 60 zu dem Gas/Flüssigkeit-Zweiphasen-Kältemittel an einer stromaufwärtigen Seite des Verengungsabschnitts 41a der Düse 41 dekomprimiert. Deshalb kann verhindert werden, dass das Kältemittel mehr als ein notwendiger Grad gedrosselt wird, während die Ejektorpumpenleistung effektiv verbessert werden kann. Weil der Drosselöffnungsgrad des verstellbaren Ventils basierend auf der Wärmelast (z.B. dem Überhitzungsgrad des Kältemittels an der Auslassseite des Verdampfapparats 30) gesteuert wird, kann ferner die Ejektorpumpenleistung des Ejektorpumpenkreises selbst bei einer Veränderung der Kühllast des Ejektorpumpenkreises verbessert werden. Daher kann der Ejektorpumpenkreis in einem weiten Lastschwankungsbereich verwendet werden, während die Ejektorpumpenleistung, die Düsenleistung und die Kühlleistung des Ejektorpumpenkreises verbessert werden.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Federplatte 63 so verschoben, dass der Druck Pf in der Gegendruckkammer 62, d.h. der Sättigungsgasdruck bei der Kältemitteltemperatur auf der Kältemittelauslassseite des Verdampfapparats 30 mit der Summe des Drucks Po in der Druckkammer 66 und der Federkraft Fp im Gleichgewicht ist. In dem Ejektorpumpenkreis ist, wie in 3 dargestellt, der Druck in der Druckkammer 66, d.h. der Kältemitteldruck an der Kältemittelauslassseite des Verdampfapparats 30 niedriger als der Druck des Kältemittels nach der Dekompression in der verstellbaren Drosselvorrichtung 60. Daher kann im Vergleich zu einem Fall, in dem der Druck des in der verstellbaren Drosselvorrichtung 60 dekomprimierten Kältemittels direkt auf die Federplatte 63 auf einer der Gegendruckkammer 62 abgewandten Seite wirkt, eine auf die Federplatte 63 wirkende Druckdifferenz kleiner sein. Demgemäß kann die Druckänderungseigenschaft des in der Gegendruckkammer 62 eingeschlossenen Gases einfach geeignet gesteuert werden und eine Beschädigung der Federplatte 63 durch den Druckunterschied auf die Federplatte 63 kann verhindert werden.
5 zeigt einen Ejektorpumpenkreis in einem Vergleichsbeispiel, und 6 zeigt einen Detailaufbau einer verstellbaren Drosselvorrichtung 60 in 5. In diesem Vergleichsbeispiel ändert sich der Druck in der Gegendruckkammer 62 ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel, um zu dem Sättigungsgasdruck bei der Kältemitteltemperatur an der Kältemittelauslassseite des Verdampfapparats 30 zu werden. In dem Vergleichsbeispiel wirkt jedoch der Druck des in einer Drosselöffnung der verstellbaren Drosselvorrichtung 60 dekomprimierten Kältemittels auf die Federplatte 63 auf der der Gegendruckkammer 62 abgewandten Seite. Daher wird die Federplatte 63 entsprechend einer Gleichgewichtsposition zwischen dem Druck in der Gegendruckkammer 62 entsprechend dem Sättigungsgasdruck bei der Kältemitteltemperatur an der Kältemittelauslassseite des Verdampfapparats 30, dem auf die Federplatte 63 auf der der Gegendruckkammer 62 abgewandten Seite wirkenden Kältemitteldruck und der Federkraft der Feder 65 verschoben. In diesem Fall ist jedoch der in der verstellbaren Drosselvorrichtung 60 in dem ersten Dekompressionsschritt dekomprimierte Kältemitteldruck deutlich höher als der Druck in der Gegendruckkammer 62. Demgemäß ist es schwierig, die Druckänderungseigenschaften des in der Gegendruckkammer 62 eingeschlossenen Gases richtig einzustellen, und die Federplatte 63 kann durch den großen auf die Federplatte 63 wirkenden Druckunterschied beschädigt werden.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Druckkammer 66 bezüglich der Federplatte 63 der Gegendruckkammer 62 abgewandt vorgesehen, und das Außenrohr 77 (Druckeinleitungseinrichtung) ist vorgesehen, um den Kältemitteldruck auf der Kältemittelauslassseite des Verdampfapparats 30 der der Gegendruckkammer 62 bezüglich der Federplatte 63 abgewandten Druckkammer 66 einzuleiten. Deshalb wird der Kältemitteldruck auf der Kältemittelauslassseite des Verdampfapparats 30, der deutlich niedriger als der in der verstellbaren Drosselvorrichtung 60 dekomprimierte Kältemitteldruck ist, in die Druckkammer 66 eingeleitet und wirkt aus der Druckkammer 63 auf die Federplatte 63. So kann ein auf die Federplatte 63 wirkender Druckunterschied kleiner als jener in dem Vergleichsbeispiel gemacht werden. Demgemäß können die Druckänderungseigenschaften des in der Gegendruckkammer 62 eingeschlossenen Gases richtig eingestellt werden und eine Beschädigung der Federplatte 63 durch den Druckunterschied kann verhindert werden.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
Das zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nun Bezug nehmend auf 4 beschrieben.
In dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel wird die Kältemitteltemperatur auf der Kältemittelauslassseite des Verdampfapparats 30 der Gegendruckkammer 62 durch den Temperaturerfassungsabschnitt 62a eingeleitet. Im zweiten Ausführungsbeispiel ist jedoch, wie in 4 dargestellt, ein Teil der Verbindungsstange 64 in einem Kältemittelkanal ausgesetzt, durch welchen das aus dem Verdampfapparat 30 gesaugte gasförmige Kältemittel strömt. D.h., wie in 4 dargestellt, ein Teil der Verbindungsstange 64 ist in einem Kältemittelkanal angeordnet, durch welchen das Kältemittel aus einer Kältemittelansaugöffnung 42a der Ejektorpumpe 4 strömt, sodass die Kältemitteltemperatur auf der Kältemittelauslassseite des Verdampfapparats 30 durch die Verbindungsstange 64 erfasst werden kann. Wenigstens der Teil der Verbindungsstange 64, der in dem Kältemittelkanal ausgesetzt ist, ist aus einem gut wärmeleitenden Material wie beispielsweise Kupfer gemacht, um so einen Temperaturübertragungsabschnitt zu bilden. Deshalb wird die Kältemitteltemperatur auf der Kältemittelauslassseite des Verdampfapparats 30 durch die Verbindungsstange 64 und die Federplatte 63 auf die Gegendruckkammer 62 übertragen.
Zusätzlich ist eine Kältemitteleinleitungsöffnung 41a, durch welche das Kältemittel aus dem Kondensator (Kühler) 20 eingeleitet wird, angrenzend an die Ansaugöffnung 42a vorgesehen.
Im zweiten Ausführungsbeispiel wird das Kältemittel auf der Kältemittelauslassseite des Verdampfapparats 30 zu einem Raum um den Temperaturübertragungsabschnitt in der Verbindungsstange 64 eingeleitet. Deshalb ist das in dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebene Außenrohr 67 weggelassen. Ein Kältemitteleinfüllrohr 62a zum Einfüllen des Kältemittels in die Gegendruckkammer 62 ist vorgesehen.
Im zweiten Ausführungsbeispiel ist die verstellbare Drosselvorrichtung mit der Ejektorpumpe 40 integriert, um einen integrierten Aufbau zu bilden. Deshalb kann der Aufbau der verstellbaren Drosselvorrichtung 60 einfach gemacht sein, und der Ejektorpumpenkreis kann bei niedrigen Kosten hergestellt werden. Ferner wirkt ähnlich dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel der Kältemitteldruck auf der Kältemittelauslassseite des Verdampfapparats 30, der deutlich niedriger als der in der verstellbaren Drosselvorrichtung 60 dekomprimierte Kältemitteldruck ist, auf die Federplatte 63 auf einer der Gegendruckkammer 62 abgewandten Seite. So kann ein auf die Federplatte 63 wirkender Druckunterschied kleiner gemacht werden. Demgemäß können die Druckänderungseigenschaften des in der Gegendruckkammer 62 eingeschlossenen Gases geeignet eingestellt werden und eine Beschädigung der Federplatte 63 durch den Druckunterschied kann verhindert werden.
Im zweiten Ausführungsbeispiel sind die anderen Teile ähnlich jenen des oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiels und auf eine detaillierte Beschreibung davon wird verzichtet. Deshalb können die in dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Vorteile erzielt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung in Zusammenhang mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen davon unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen vollständig beschrieben worden ist, ist anzumerken, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen für den Fachmann offensichtlich sein werden.
Zum Beispiel wird in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung in dem Ejektorpumpenkreis Freon als Kältemittel benutzt. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch auf einen Ejektorpumpenkreis angewendet werden, in dem ein anderes Kältemittel verwendet werden kann. Auch in diesem Fall wird das Kältemittel durch die verstellbare Drosselvorrichtung 60 und die Düse 41 in zwei Schritten dekomprimiert. Zum Beispiel kann ein Kohlenwasserstoff oder Kohlendioxid als Kältemittel verwendet werden. Auch in diesem Fall kann der Drosselöffnungsgrad der verstellbaren Drosselvorrichtung 60 basierend auf der Wärmelast auf der Niedertemperaturseite in dem Ejektorpumpenkreis gesteuert werden.
Ferner kann die vorliegende Erfindung auch auf einen Ejektorpumpenkreis angewendet werden, bei dem der Kältemitteldruck auf der Hochdruckseite gleich oder höher als der kritische Druck des Kältemittels ist. In diesem Fall kann geeigneterweise ein natürliches Kältemittel wie beispielsweise Kohlendioxid verwendet werden.
In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung wird der Ejektorpumpenkreis für den Dampfkompressionskühler zum Kühlen und Gefrieren der Speisen in der Vitrine benutzt. Jedoch kann der Ejektorpumpenkreis der vorliegenden Erfindung auch für eine Klimaanlage verwendet werden. Ferner wird in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen der Überhitzungsgrad des Niederdruck-Kältemittels auf der Kältemittelauslassseite des Verdampfapparats 30 oder auf der Kältemittelansaugseite des Kompressors 10 in dem Ejektorpumpenkreis mechanisch oder elektrisch basierend auf der Kältemitteltemperatur erfasst. Allgemein steht die Kältemitteltemperatur mit dem Kältemitteldruck in Beziehung. Deshalb kann der Überhitzungsgrad des Niederdruck-Kältemittels in dem Ejektorpumpenkreis auch mechanisch oder elektrisch basierend auf dem Kältemitteldruck erfasst werden.
Ferner wird in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen das Kältemittel durch die verstellbare Drosselvorrichtung 60 in den Gas/Flüssigkeit-Zweiphasenzustand dekomprimiert, bevor das Kältemittel in den Drosselabschnitt der Düse 41 der Ejektorpumpe 40 strömt. Jedoch ist die verstellbare Drosselvorrichtung 60 nicht auf das Dekomprimieren des Kältemittels in den Gas/Flüssigkeit-Zweiphasenzustand beschränkt. D.h. die verstellbare Drosselvorrichtung 60 kann das Hochdruck-Kältemittel aus dem Kondensator 20 auch in einen geeigneten Dekompressionszustand dekomprimieren, bevor das Kältemittel in den Drosselabschnitt 41 a der Düse 41 strömt. Zusätzlich kann in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen die verstellbare Drosselvorrichtung 60 isentropisch dekomprimieren.
Solche Änderungen und Modifikationen liegen selbstverständlich im Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, wie er durch die anhängenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Ejektorpumpenkreis, mit einem Kompressor (10) zum Komprimieren eines Kältemittels; einem Hochdruck-Wärmetauscher (20) zum Kühlen des aus dem Kompressor (10) ausgegebenen Hochdruck-Kältemittels; einem Niederdruck-Wärmetauscher (30) zum Verdampfen des Niederdruck-Kältemittels nach der Dekompression; einer auf einer Kältemittelauslassseite des Hochdruck-Wärmetauschers (20) angeordneten verstellbaren Drosselvorrichtung (60); einer Ejektorpumpe (40) mit einer Düse (41) zum Dekomprimieren und Dehnen des aus der verstellbaren Drosselvorrichtung (60) strömenden Kältemittels durch Umwandeln von Druckenergie des Kältemittels in Geschwindigkeitsenergie des Kältemittels und einem Druckerhöhungsabschnitt (42, 43), der angeordnet ist, um einen Druck des Kältemittels durch Umwandeln der Geschwindigkeitsenergie des Kältemittels in die Druckenergie des Kältemittels zu erhöhen, wobei das aus der Düse (41) gestrahlte Kältemittel und das aus dem Niederdruck-Wärmetauscher (30) über eine Kältemittelansaugöffnung (42a) des Ejektors (40) angesaugte Kältemittel vermischt werden, und einer Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung (50) zum Trennen des Kältemittels aus der Ejektorpumpe in gasförmiges Kältemittel und flüssiges Kältemittel, wobei die Gas/Flüssigkeit-Trennvorrichtung einen mit einer Kältemittelsaugseite des Kompressors (10) verbundenen Gaskältemittelauslass und einen mit einer Kältemitteleinlassseite des Niederdruck-Wärmetauschers (30) verbundenen Flüssigkältemittelauslass aufweist, wobei die verstellbare Drosselvorrichtung (60) eine Gegendruckkammer (62) mit einem Innendruck, der sich durch Erfassen einer Kältemitteltemperatur auf einer Kältemittelauslassseite des Niederdruck-Wärmetauschers (30) ändert, eine Federplatte (63) zum Definieren der Gegendruckkammer (62) und einen Ventilkörper (61), der entsprechend einer Bewegung der Federplatte verschoben wird, um einen Drosselöffnungsgrad zu ändern, und eine Verbindungsstange (64) zum Verbinden der Federplatte (63) und des Ventilkörpers (61) enthält; wobei ein Teil der Verbindungsstange (64) in einem Kältemitteldurchgang angeordnet ist, durch den das von der Kältemittelansaugöffnung (42a) des Ejektors (40) angesaugte Kältemittel derart strömt, dass die Kältemitteltemperatur an der Kältemittelauslassseite des Niederdrucks-Wärmetauschers (30) von der Verbindungsstange (64) erfasst wird.
Ejektorkreislauf nach Anspruch 1, wobei der Teil der Verbindungsstange (64) in dem Kältemitteldurchgang ausgesetzt ist, durch den Kältemittel von der Kältemittelsaugöffnung (42a) des Ejektors (40) strömt, und aus einem hochwärmeleitenden Material als Temperaturübertragungsabschnitt besteht.
Ejektorkreislauf nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verbindungsstange (64) und die Federplatte (63) so konfiguriert sind, dass die Kältemitteltemperatur an der Kältemittelauslassseite des Niederdruck-Wärmetauschers (30) zu der Gegendruckkammer (62) durch die Verbindungsstange (64) und die Federplatte (63) übertragen wird.
Ejektorpumpenkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die verstellbare Drosselvorrichtung (60) mit der Ejektorpumpe (40) integriert ist.
Ejektorpumpenkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Düse (41) das Kältemittel nach der Dekompression in der verstellbaren Drosselvorrichtung (60) dekomprimiert.
Ejektorpumpenkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem das Kältemittel Freon ist.
Ejektorpumpenkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem das Kältemittel Kohlendioxid ist.
Ejektorpumpenkreis nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem das Kältemittel ein Kohlenwasserstoff ist.