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Die
Erfindung betrifft einen Ejektor für einen Kältemittelkreislauf,
mit einer Düse, die einen Eingang für flüssiges
Kältemittel aufweist, einer Saugkammer, die einen Eingang
für überwiegend gasförmiges Kältemittel
aufweist, einem verstellbaren Ventilelement, mit dem der Strömungsquerschnitt
der Düse verändert werden kann, und einer Feder,
die auf das Ventilelement einwirkt.
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Ein
solcher Ejektor ist beispielsweise aus der
JP-5 312 421 bekannt. Er kann als
Expansionselement in einem Kältemittelkreislauf verwendet
werden, der zum Kühlen von Luft verwendet wird, die beispielsweise
einem Innenraum eines Kraftfahrzeugs zugeführt werden kann.
Ein Beispiel für einen solchen Kältemittelkreislauf
ist in
1 gezeigt.
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Der
Kältemittelkreislauf weist einen Kompressor 1 auf,
der Kältemittel verdichtet, welches anschließend
durch einen Kondensator bzw. Gaskühler 2 geleitet
wird. Dort kondensiert das Kältemittel und wird in flüssigem
Zustand dem Ejektor 3 zugeführt oder es wird als überkritisches
Gas nur abgekühlt und im überkritischen Zustand
in den Ejektor eingeleitet. Dort strömt das Kältemittel
durch eine Düse 4, wodurch Druck und Temperatur
des Kältemittels verringert werden, und anschließend
zusammen mit dem vom Verdampfer angesaugten, überwiegend gasförmigen
Kältemittel durch einen Diffusor 5. Am Ausgang
des Ejektors 3 besteht das Kältemittel aus einem
Gemisch von überwiegend flüssiger Phase und überwiegend
gasförmiger Phase. Diese Phasen werden in einem Separator 6 getrennt,
wobei der überwiegend gasförmige Anteil des Kältemittels über einen
Verdampfer 7 wieder dem Kompressor 1 zugeführt
wird. Der überwiegend flüssige Anteil des Kältemittels
wird einem zweiten Verdampfer 8 zugeführt und
von dort in den Ejektor 3 gesaugt. Die im Verdampfer zum
Verdampfen des Kältemittels benötigte Wärme
kann beispielsweise der Luft entzogen werden, die dann gekühlt
in den Fahrzeuginnenraum geleitet wird.
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Bei
einem solchen oder einem ähnlichen Kältemittelkreislauf
besteht grundsätzlich das Problem, daß der Ejektor 3 auf
einen bestimmten Massendurchsatz an Kältemittel ausgelegt
werden muß. Bei einem höheren und einem niedrigeren
Massendurchsatz als dem optimalen Massendurchsatz ist die Wirkung
des Ejektors nicht optimal. Wird der Kältemittelkreislauf
beispielsweise bei einem Kraftfahrzeug eingesetzt, variiert der
Kältemittel-Massenstrom durch den Ejektor zwischen 5 kg/h
und 400 kg/h. Derartige Unterschiede des Kältemittel-Massenstroms
können mit einem Ejektor mit konstantem Strömungsquerschnitt
nicht beherrscht werden. Daher sind Ejektoren bekannt, bei denen
im Bereich der Düse ein elektromagnetisch gesteuertes Ventilelement
vorgesehen ist. Solche Ejektoren sind sehr aufwendig. Aus der eingangs
genannten japanischen Patentanmeldung ist ein Ejektor bekannt, bei
dem das Ventilelement mit einer Prallplatte versehen ist, die im
Strömungsweg des flüssigen Kältemittels
liegt. In Abhängigkeit von Massendurchsatz wird das Ventilelement geöffnet.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Ejektor der eingangs
genannten Art zu schaffen, der sich durch eine bessere Effizienz
auszeichnet.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß bei
einem Ejektor der eingangs genannten Art vorgesehen, daß die
Feder stromabwärts des Ventilelements angeordnet ist. Auf
diese Weise stört die Feder die Strömung des Kältemittels
weniger, so daß sich ein besserer Wirkungsgrad ergibt.
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Gegenüber
anderen, aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen zeichnet
sich die Erfindung durch geringe Kosten aus, da keine elektronische
Steuerung notwendig ist, um über alle Betriebszustände
gute Strömungsverhältnisse aufrechtzuerhalten.
Weiterhin zeichnet sich die Erfindung durch einen geringen Druckverlust
aus, da keine Vordrossel notwendig ist.
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Gemäß einer
Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Ventilelement
stromaufwärts der Düse angeordnet ist. Dies gewährleistet,
daß die Strömung im sensibelsten Bereich des Ejektors,
also im Bereich der Düse, vom Ventilelement nicht gestört
wird.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, daß das Ventilelement den Strömungsquerschnitt
eines separaten Kanals freigeben kann. Dieser Kanal kann konzen trisch
mit der Düse angeordnet sein, so daß im Zustand
mit nicht geöffnetem Querschnitt ein vergleichsweise kleiner
Ringspalt um den Kanal herum als Strömungsquerschnitt geöffnet
ist, während bei geöffnetem Ventilelement zusätzlich
der Kanal als Strömungsquerschnitt zur Verfügung
steht.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß das
Ventilelement sich durch die Düse erstreckt. Bei dieser
Ausführungsform kontrolliert das Ventilelement unmittelbar
den Strömungsquerschnitt im Bereich der Düse.
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Vorzugsweise
ist das Ventilelement eine Ventilnadel, die stromaufwärts
und stromabwärts der Düse mit Führungsfortsätzen
versehen ist, die in Führungen verschiebbar aufgenommen
sind. Durch die Führungen beiderseits der Düse
ist das Ventilelement besonders sicher geführt, so daß ein
Flattern des Ventilelementes (und eine daraus resultierende Beeinträchtigung
der Strömung durch die Düse) bei allen Betriebszuständen
zuverlässig verhindert ist.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, daß der Strömungsquerschnitt der
Düse bei geschlossenem Ventilelement in der Größenordnung
von 0,1 mm2 bis 0,3 mm2 liegt.
Dies gewährleistet, daß auch bei geringem Kältemittel-Massenstrom
eine ausreichende Saugwirkung in der Saugkammer erzeugt wird.
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Gemäß der
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen,
daß der Strömungsquerschnitt der Düse
bei maximal geöffnetem Ventilelement in der Größenordnung
von 3 mm2 liegt. Dieser Querschnitt ermöglicht
den notwendigen hohen Massendurchsatz bei hoher Kühllast.
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Vorzugsweise
ist vorgesehen, daß das Ventilelement öffnet,
wenn am Eingang für flüssiges Kältemittel
ein Druck im Bereich von 100 bis 140 bar anliegt. Auf diese Weise
erfolgt eine automatische Druckbegrenzung auf der Hochdruckseite.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsformen
beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt
sind. In diesen zeigen:
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1 schematisch
ein Beispiel für einen Kältemittelkreislauf, bei
dem ein erfindungsgemäßer Ejektor verwendet werden
kann;
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2 einen
Ejektor gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung in einer schematischen Schnittansicht; und
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3 einen
Ejektor gemäß einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung in einer schematischen Schnittansicht.
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In 2 ist
ein Ejektor 3 gezeigt, der einen Eingang 10 für
flüssiges Kältemittel aufweist. Der Eingang 10 gehört
zu einer Düse 4, an die sich ein Diffusor 5 anschließt.
Die Düse 4 wird von einer Saugkammer 13 umgeben,
die einen Eingang 15 für gasförmiges
Kältemittel aufweist.
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Konzentrisch
innerhalb der Düse ist ein Rohr 14 angeordnet,
das innenseitig einen Kanal 16 bildet. Das Rohr 14 schließt
bündig mit dem stromabwärtigen Ende der Düse 4 ab
und weist an seinem stromaufwärtigen Ende ein Ventilelement 18 auf,
das von einer Feder 20 entgegen der Strömungsrichtung
des flüssigen Kältemittels gegen einen Ventilsitz 22 am Rohr 14 gedrückt
wird. Die Düse 4 weist somit zwei Strömungsquerschnitte
auf, nämlich einen ersten, ringförmigen Strömungsquerschnitt
um das Rohr 14 herum, und einen vom Kanal 16 gebildeten
Querschnitt.
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Wenn
das Ventilelement 18, das hier als Ventilkugel ausgebildet
ist, geschlossen ist, liegt der Strömungsquerschnitt im
Ringspalt zwischen dem Rohr 14 und der Innenseite der Düse 4 im
Bereich von 0,1 bis 0,3 mm2. Dieser Strömungsquerschnitt steht
unabhängig vom jeweiligen Betriebszustand immer zur Verfügung.
Wenn der Druck am Hochdruckeingang der Düse 4 groß genug
ist, wird das Ventilelement 18 entgegen der Wirkung der
Feder 20 nach rechts verschoben, so daß der Strömungsweg durch
den Kanal 16 freigegeben wird. In diesem Fall steht insgesamt
ein Strömungsquerschnitt in der Größenordnung
von 3 mm2 zur Verfügung.
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Der
besondere Vorteil der ersten Ausführungsform besteht darin,
daß das Ventilelement 18 außerhalb des
engsten Querschnittes der Düse 4 angeordnet ist,
so daß dort im wesentlichen ungestörte Strömungsverhältnisse
vorliegen. Außerdem kann das Kältemittel durch
den Diffusor 5 in axialer Richtung abströmen.
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In 3 ist
eine zweite Ausführungsform gezeigt. Für die von
der ersten Ausführungsform bekannten Bauteile werden dieselben
Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen
verwiesen.
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Der
wesentliche Unterschied gegenüber der ersten Ausführungsform
besteht darin, daß bei der zweiten Ausführungsform
das Ventilelement 18 als Ventilnadel ausgeführt
ist, die sich durch die Düse 4 hindurcherstreckt.
Die Ventilnadel hat eine leicht kegelige Außenfläche
mit einem Neigungswinkel im Bereich von 2 bis 10°.
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Stromaufwärts
und stromabwärts der Düse 4 ist das Ventilelement 18 mit
Führungsfortsätzen 19 versehen, die in
Führungen 21 verschiebbar aufgenommen sind. Auf
diese Weise ist das Ventilelement 18 flatterfrei geführt.
Die Feder 20 ist in großem Abstand stromabwärts
zur Düse 4 angeordnet, und zwar im Bereich der
stromabwärtigen Führung 21. In diesem
Bereich zweigt auch der Ausgang vom Diffusor 5 in radialer
Richtung ab.
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Auch
bei der zweiten Ausführungsform liegt bei „geschlossenem"
Ventilelement 18, also wenn dieses maximal nach links verschoben
ist, ein freier Strömungsquerschnitt in der Größenordnung
von 0,1 bis 0,3 mm2 vor. Bei geöffnetem
Ventilelement, also wenn dieses maximal nach rechts verschoben ist, vergrößert
sich der Strömungsquerschnitt auf etwa 3 mm2.
Im Unterschied zur ersten Ausführungsform wird jedoch nicht
ein zweiter Strömungsquerschnitt zugeschaltet, sondern
die Größe des ersten und einzigen Strömungsquerschnitts
variiert.
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Bei
beiden Ausführungsformen ist die Feder 20 so ausgelegt,
daß das Ventilelement 18 bei einem Druck auf der
Hochdruckseite des Ejektors in der Größenordnung
von 100 bis 140 bar öffnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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