具有锥形喷嘴和锥形针的喷射器 【技术领域】
本发明涉及一种喷射器，其为动力泵，用于通过使用驱动液的高速射流的挟卷(entrainment)输送流体。喷射器构造有锥形喷嘴和锥形针，且适用于蒸汽压缩制冷剂循环(喷射器循环)，在所述蒸汽压缩制冷剂循环中喷射器用作使制冷剂循环的泵送单元(例如JIS Z 8126 2.2.2.3)。
背景技术
常规上，将拉瓦尔喷嘴用于喷射器循环中，以提高从拉瓦尔喷嘴喷射的流体的流速。当从拉瓦尔喷嘴喷射的流体的流速提高时，通过高速射流的挟卷提高喷射器的泵动效应。拉瓦尔喷嘴具有喉部和在喉部下游的扩散器部分。喉部是拉瓦尔喷嘴中流体通道中减小最多的区。扩散器部分具有从喉部向流体通道中的下游延伸的通道截面积(例如JP-A-10-205898和JP-A-5-312421)。
在理想的拉瓦尔喷嘴中，制冷剂(流体)在流向喉部时被节流。制冷剂的流速提高，且在喉部处变为1马赫(临界条件)。流过喉部的制冷剂在扩散器部分中膨胀时汽化，从而制冷剂的流速在扩散器部分中超过1马赫。
而且，能够将可变节流阀设置在喷嘴的上游侧处，用以改变喷嘴中制冷剂的流速，以便适应喷流器循环中运行条件的变化。可选地，喷嘴的出口通路区改变，以便适应喷流器循环中运行条件地变化。
流过喷嘴的制冷剂流速大体上根据喉部的通道面积成比例改变。因此，在拉瓦尔喷嘴中必须精确制造扩散器部分和喉部。这样，必须严格控制扩散器部分和喉部的公差。特别地，在用于家用空调器或车辆空调器的拉瓦尔喷嘴中，必须将扩散器部分和喉部的公差控制在100μm内。因此，拉瓦尔喷嘴难以制造。
此外，拉瓦尔喷嘴的流动特性取决于喉部中的通道截面积。喉部下游侧的适当膨胀条件取决于喷嘴出口的通道截面积。因此，如果喷射器循环的制冷能力改变，即制冷能力或设计压力条件的技术规范改变，则需要根据喷射器循环的制冷能力的改变制造拉瓦尔喷嘴。
因此，当根据各种制冷能力和各种运行条件分别构造多种类型的喷射器循环时，需要根据诸如制冷能力和运行条件等的每个技术规范制造专用喷嘴。即，还需要用于构造喷射器循环的资本投资，并且为了制造多种喷嘴也需要额外的劳动力，从而喷射循环即喷嘴的制造成本提高。
通常，当制冷器中的热负荷的波动较小时，将拉瓦尔喷嘴用于制冷器中。在此情形下，喷射器循环的平衡取决于拉瓦尔喷嘴的固定特征。此处，拉瓦尔喷嘴最初基于诸如最大热负荷条件等特定条件设计。然而，当热负荷改变时，压力条件也改变。在此情形下，制冷剂的膨胀条件改变到不足条件或过度条件。
如图19A所示，当拉瓦尔喷嘴的入口压力为PH1时，喷嘴出口压力变为适当的出口压力PL。在此情形下，制冷剂在拉瓦尔喷嘴的扩散器部分中膨胀。然而，当拉瓦尔喷嘴的入口压力为PH2时，制冷剂不会在拉瓦尔喷嘴中充分膨胀。在此情形下，喷嘴出口压力不会降低到适当的出口压力PL，从而喷嘴效率降低。如图19B所示，当拉瓦尔喷嘴的出口压力为PL3时，制冷剂压力从PH降低到PL3。在此情形下，制冷剂在拉瓦尔喷嘴的扩散器部分中适当膨胀。然而，当拉瓦尔喷嘴的出口压力变为PL4时，制冷剂的压力不会从PH降低到PL4。在此情形下，制冷剂不会在拉瓦尔喷嘴中充分膨胀，且喷嘴效率降低。因此，当入口压力或出口压力改变时，在拉瓦尔喷嘴中喷嘴效率降低。
另一方面，在其中针阀的端部位于喉部上游侧上的可变喷嘴中，不能改变喉部上游侧流体通道的截面积。如图20所示，当喉部中的制冷剂通道截面积(即节流面积)减少时，喉部的压力减少。当节流面积较小时，如在压力变化用□和◆表示的情况下，喉部的压力一次减少，然而，压力再次朝着喷嘴出口增加。这种压力减少和增加是由于喉部和喷嘴出口之间的过度膨胀造成的。在此情形下，从喷嘴排放的制冷剂速度不可能增加到声速，从而喷射器效率降低。
图21示出当节流面积(即喉部中的通道面积)改变时，喷嘴的扩散器部分中的压力分布和无因次数D(即扩散器部分中的通道截面积/喉部中的通道面积)的曲线图。在图21中，将二氧化碳用于制冷剂，且在喷嘴入口中温度条件和压力条件是恒定的。图21中所示的关系可应用于高于声速的流动，但由于过度膨胀产生冲击波，所以不能应用于其中压力在喷嘴中减少的流动条件。
如图21所示，即使喉部中的横截面积(即节流面积)改变，压力和无因次数D之间的关系也不会大幅改变。具体地，当节流面积改变时，用诸如▲、■、□、●等符号表示的关系示出类似的特征。然而，当节流面积减小但喷嘴出口面积不改变时，无因次数D(即喷嘴出口中的通道截面积/节流阀中的通道截面积)在喷嘴出口处变大。在此情形下，如果制冷剂速度超过声速且制冷剂在喷嘴出口处膨胀，则制冷剂的压力根据图21所示关系变小。因此，由于制冷剂的压力在喷嘴出口处膨胀，所以制冷剂可能过度膨胀。因此，传统的可变喷嘴的喷嘴效率降低。
【发明内容】
考虑到上述问题，本发明的目的之一是提供一种喷射器，所述喷射器具有不管运行条件如何都能有效提高喷嘴效率的喷嘴。本发明的另一目的是提供一种能有效地降低制造成本同时提高喷嘴效率的喷射器。
根据本发明，用于通过高速流体的挟卷泵送流体的喷射器包括喷嘴和针。喷嘴包括高速流体从其喷射出的流体出口和位于流体出口上流侧的喷嘴锥形部分。喷嘴锥形部分具有内部通道，该内部通道具有朝着流体出口减小的径向尺寸。此外，针具有设置在喷嘴内部通道中的针锥形部分，且针锥形部分具有朝着针的下游端部减少的横截面积。在喷射器中，针的下游端相对于流体出口位于下游侧，且喷嘴锥形部分具有等于或大于针锥形部分的锥角(2)的锥角(1)。
这样，可形成从喷嘴的流体出口突出的沿针的突出部分的外周表面的喷嘴射流，且从喷嘴的流体出口喷射的流体的喷嘴射流的边界面具有均衡的形状。而且，均衡的形状根据高速流体和泵送流体的压力差之间的压力差确定和改变。因此，从喷嘴的流体出口喷射的高速流体可在适当的膨胀附近进行膨胀。而且，由于不必在喷嘴中提供扩散器部分，所以可使得喷嘴的制造工艺简单同时可提高喷嘴效率。
根据本发明，喷嘴包括从流体出口延伸到上游侧预定距离的直部。在此情形下，直部具有基本不变的内部径向尺寸，并且直部设置在喷嘴锥形部分的直接下游侧。而且，针设置在喷嘴中，以限定其间的流体通道，流体通道具有节流部，在节流部流体通道的截面积变得最小，且直部和喷嘴锥形部分在节流部处互相连接。由于直部在喷嘴中形成，喷嘴能够可靠地制造。而且，即使扩散器部分不设置在喷嘴中，由于本发明的直部和针，也可在喷嘴中获得扩散器功能。
例如，针锥形部分包括根部和位于根部下游的端部。在此情形下，可将针锥形部分的端部的锥角(1)设定的与针锥形部分的根部的锥角(2)不同。而且，针锥形部分可具有下游端面，该下游端面形成为大体半球形和平面形其中之一。此外，可使用致动机构沿针的轴向移动针。
当将喷射器用于蒸汽压缩制冷剂循环时，可根据循环的操作条件改变喷嘴射流，从而可有效提高喷嘴效率。
【附图说明】
根据以下参看附图所作的详细描述，本发明的上述和其它目的、特点和优点将变得更加显然，在附图中：
图1示出使用本发明喷射器的蒸汽压缩制冷剂循环(喷射器循环)的示意图；
图2示出根据本发明第一实施例的喷射器的示意性横截面图；
图3示出根据第一实施例的喷射器中的针和喷嘴的示意性放大截面图；
图4示出根据第一实施例的喷射器中的制冷剂的低压制冷剂流的入口角和压力增加度之间的关系；
图5A和图5B是放大的示意性横截面图，示出当高压射流A的压力和低压制冷剂流的压力之间的压力差改变时喷射器中的制冷剂的射流A；
图6是放大的示意性横截面图，示出根据本发明的第二实施例的喷射器中的针和喷嘴；
图7是放大的示意性横截面图，示出根据第二实施例的针；
图8是放大的示意性横截面图，示出根据第二实施例的针和在针下游侧产生的循环流；
图9是放大的示意性横截面图，示出根据本发明的第三实施例的喷射器中的针和喷嘴；
图10是放大的示意性横截面图，示出根据本发明的第四实施例的喷射器；
图11A和图11B是放大的示意性横截面图，示出当高压制冷剂的流速改变时从根据第四实施例的喷射器的喷嘴流出的高压制冷剂的射流A；
图12是通过与具有拉瓦尔喷嘴的喷射器的特性进行比较，说明第四实施例中的喷射器的特性的图表；
图13是示意性横截面图，示出根据本发明的第五实施例的喷射器。
图14是放大的示意性横截面图，示出根据本发明的第五实施例的喷射器中的针和喷嘴；
图15是放大的示意性横截面图，示出根据本发明的第六实施例的喷射器中的针和喷嘴；
图16示出根据本发明第六实施例的喷射器中的针和喷嘴的示意性横截面图；
图17是根据本发明的p-h图表；
图18是放大的示意性横截面图，示出根据本发明第七实施例的喷射器中的针和喷嘴；
图19A示出当压力条件在拉瓦尔喷嘴的入口中改变时，拉瓦尔喷嘴中的压力和自喉部的距离之间的关系的图表；图19B示出当压力条件在拉瓦尔喷嘴的出口中改变时，拉瓦尔喷嘴中的压力和自喉部的距离之间的关系的图表；
图20示出当节流面积改变时可变喷射器中的压力和自喉部的距离之间的关系的图表；以及
图21示出当节流面积改变时可变喷射器中的压力和无因次数(扩散器通道面积/喉部面积)的关系的图表。
【具体实施方式】
[第一实施例]
现在将参看图1至5A描述本发明的第一实施例。在第一实施例中，本发明的喷射器40通常典型地用在用于车辆空调器的喷射器循环中。图1所示的喷射器循环将二氧化碳用作制冷剂。
在图1中，用于压缩制冷剂的压缩机10是可变容积式压缩机。压缩机10由车辆发动机驱动，以便牵引和压缩制冷剂。将来自压缩机10的制冷剂量进行控制，以便将蒸发器30内的温度和压力控制在预定范围内。压缩机10可以是电驱动压缩机。在此情形下，可通过控制压缩机10的转速控制压缩机10排放的制冷剂流量。
散热器20是高压侧热交换器。在由压缩机10排放的制冷剂和外部空气之间进行热交换，以便使从压缩机10排放的制冷剂在散热器20中冷却。蒸发器30是低压侧热交换器。热交换在液相制冷剂和将被吹入客室中的蒸发器30内的空气之间进行，以便液相制冷剂在蒸发器30中蒸发。通过蒸发器30的空气被冷却并吹入客室。在本实施例中，将二氧化碳用作喷射循环中的制冷剂，并将压缩机10的排放压力设定为高于制冷剂的临界压力的压力。制冷剂温度在散热器20中减少，从而制冷剂的焓减少而制冷剂不会凝结(相变)。当将HFC134a用作制冷剂时，将压缩机10的排放压力设定为低于制冷剂的临界压力的压力。在此情形下，在散热器20中制冷剂发生凝结同时制冷剂的焓减少。
使从散热器20流出的高压制冷剂在喷射器40中减压并膨胀，同时抽取在蒸发器30中蒸发的汽相制冷剂(低压制冷剂)。而且，喷射器40将制冷剂的膨胀能转化为压力能，以使压缩机10的吸入压力增加。
制冷剂从喷射器10排放，并流入气液分离器50，从而将流到气液分离器50的制冷剂分成气体制冷剂和液体制冷剂。液体制冷剂在气液分离器50中聚集。气液分离器50的气体制冷剂出口与压缩机10的进气口连接，从而将气液分离器50中的气体制冷剂供给压缩机10。气液分离器50的液体制冷剂出口与蒸发器30的进口连接，从而将气液分离器50中的液体制冷剂供给蒸发器30。减压单元60被设置，用以使从气液分离器50流出的液体制冷剂减压。风扇31向蒸发器30吹冷却空气，用以使蒸发器30中的空气冷却。在蒸发器30中冷却的空气被吹入客室。
接下来将详细描述喷射器40的结构。如图2所示，喷射器40构造有喷嘴41、混合部分42、扩散器43、和针44等。喷嘴41等熵地使从散热器20流入喷嘴41的高压制冷剂减压和膨胀。喷嘴41使高压制冷剂的压力能转变为高压制冷剂的速度能量。混合部分42混合从喷嘴41喷射的制冷剂和通过从喷嘴41喷射的高速制冷剂流从蒸发器30抽取的气体制冷剂。扩散器43使制冷剂压力增加同时将从喷嘴41喷射的高速制冷剂的速度能量转化为压力能，同时混合从喷嘴41喷射的制冷剂和从蒸发器30抽取的制冷剂。针44形成为圆锥形，其中针44的轴向横截面积朝着针44的下游尖端减小。
喷嘴41和针44由诸如不锈钢等金属材料制成，用于防止由于制冷剂膨胀时产生的气穴现象引起的腐蚀和侵蚀。
外壳45是构造混合部分42和扩散器部分43的近似圆柱形件。扩散器43的出口45a与气液分离器50的入口76连接。
块体46由金属材料制成，用于接纳喷嘴41。块体46具有与散热器20的排放侧连接的高压制冷剂入口46a和与蒸发器30的出口连接的低压制冷剂入口46b。外壳45和块体46通过焊接或软焊互相连接。外壳45和块体46由铝、不锈钢、黄铜等制成。
针44共轴地压配合到喷嘴41。容纳针44的喷嘴41压配合到块体46，从而针44和喷嘴41连接到块体46。喷嘴41压插入块体46的孔内，块体46的孔用盖子46c塞住。盖子46c用作针44的保持单元。
从喷嘴41流出的制冷剂和从蒸发器30流入喷射器40的制冷剂在混合部分42中混合，同时保存从喷嘴41喷射的制冷剂流的动量和从蒸发器30牵引到喷射器40中的制冷剂流的动量的总和。因此，制冷剂的静压在喷射器40的混合部分42中增加。
此外，制冷剂通道的横截面积在扩散器43中逐渐增加，从而制冷剂的动压转化为静压。因此，制冷剂压力既在喷射器40的混合部分42中也在混合部分43(加压部分)中增加。
优选的是，制冷剂压力在混合部分42中增加，同时保存这两种制冷剂流的总动量。此处，这两种制冷剂流是从喷嘴41喷射的制冷剂流和从蒸发器30抽取的制冷剂流。这两种制冷剂流的能量保存在理想喷射器中的扩散器43中。
如图3所示，喷嘴41是锥形喷嘴，其中形成圆锥形喷嘴部分41c。锥形喷嘴部分41c中的制冷剂通道面积朝着喷嘴出口41b(流体出口)减少。锥形喷嘴部分41c的外周壁也形成为圆锥形，以便与锥形喷嘴部分41c的内周壁大体平行。
圆锥形部分44a形成在位于喷嘴41的锥形喷嘴部分41c中的针44的尖端部中。圆锥形部分44a形成为圆锥形，其中圆锥形部分44a的横截面积朝着位于混合部分42侧的其尖端减少。针44的尖端在制冷剂流的下游侧从喷嘴出口(流体出口或喉部)41b伸出。
将锥形喷嘴部分41c的锥角(1)设定的等于或大于针44的圆锥形部分44a的锥角(2)。在锥形喷嘴部分41c的内周表面和针44的圆锥形部分44a的外周面之间形成制冷剂通道41a。而且，制冷剂通道41如此形成以使制冷剂通道41a的横截面积在喷嘴出口41b处变得最小。即，在第一实施例中，喷嘴出口41b是内部径向尺寸减少最多的喷嘴41的喉部，也是制冷剂通道41a的通道截面积减少最多的节流部。
接下来将详细描述喷射器循环的操作。将制冷剂在压缩机10中进行压缩并从压缩机10排放到散热器20中，以在喷射器循环1中进行循环。从压缩机10排放的制冷剂在散热器20中冷却。在散热器20中冷却的制冷剂在喷射器40的喷嘴41中等熵减压和膨胀，并以高于声速的速度流入混合部分42。
由于高速制冷剂流的挟卷，从喷嘴41流入混合部分42的高速制冷剂具有泵送操作。在蒸发器30中蒸发的制冷剂通过高速制冷剂的泵送操作被抽取到混合部分42中。这样，在喷射器循环中低压侧的制冷剂以此顺序：气液分离器50→减压单元60→蒸发器30→喷射器40(加压部分)→气液分离器50进行循环。
从蒸发器30抽取的制冷剂(吸入流)和从喷嘴41排出的制冷剂(驱动流)在混合部分42中混合，且吸入流和驱动流的动压在扩散器43中转变为静压。混合部分42和扩散器43中的混合制冷剂流入气液分离器50。
图3中的入口角是外壳45的内壁表面的锥角，用于限定从蒸发器30抽出的低压制冷剂流动的流体通道。当入口角变得较大时，速度在低压制冷剂的轴向的分量变得较小。此处，速度在压制冷剂的轴向的分量是速度在喷嘴41中的低压制冷剂的喷射方向的分量。因此，喷射器40中的加压度变得较小。根据发明人的研究，优选将入口角设定为等于或小于40°。
图4示出喷射器40的加压度(即压力增加度)的计算数据。在图4中，将入口角为0°时喷射器40的加压度设定为标准值(即1.0)，作为图4中计算的前提，在制冷剂循环(喷射器)中使用的制冷剂为二氧化碳，外部温度(TAM)设定为25℃和35℃。根据计算数据，加压度随着入口角的增大而减小。当入口角介于0°和40°之间时加压度相对稍微地减少。然而，当入口角大于约40°时加压度迅速减少。
根据第一实施例，针44的圆锥形部分44a从喷嘴出口41d凸出，以便接触混合部分42侧。如图5A和图5B所示，高压制冷剂流入制冷剂通道41a(即针44周围的周边通道)，并从喷嘴出口41b排出。从喷嘴出口41b排出的制冷剂由于惯性力和柯安达效应等沿针44的表面(即圆锥形部分44a)流动。
圆锥形部分44a的横截面积朝着制冷剂流的下游侧减少。因此，当制冷剂流向下游侧时，从喷嘴41的喷嘴出口41b排放的射流(喷嘴射流A)逐渐朝着喷嘴41的轴扩散。
相反，为喷嘴射流A外周边的边界面A0扩散到喷嘴射流A和在喷嘴射流A周围流动的低压制冷剂互相平衡的位置。此处，在喷嘴射流A周围流动的低压制冷剂是从蒸发器30抽出的制冷剂。当大量制冷剂流入喷嘴41时，喷嘴射流A和在喷嘴射流A周围流动的低压制冷剂之间的压力差变得较大。在此情形下，如图5A所示，边界面A0的直径加宽。相反，当少量制冷剂流入喷嘴41时，喷嘴射流A和低压制冷剂流之间的压力差变小。在此情形下，如图5B所示，边界面A0的直径减小。
流入喷嘴41的制冷剂朝着喷嘴41中的喷嘴出口41b被节流，且制冷剂的流速朝着喷嘴41的喷嘴出口41b减少。这样，在喷嘴41中流动的制冷剂变为喷嘴出口41b处的临界条件，且制冷剂的速度在喷嘴出口41b处变为1马赫。
从喷嘴出口41b排放的喷嘴射流A膨胀并汽化，从而从喷嘴出口41b排放的制冷剂的流速超过1马赫(即超音速)。即，与将拉瓦尔喷嘴用在喷射器40中的情形类似，从喷嘴出口41b排放的制冷剂的速度提高到超音速。
在第一实施例中，喷嘴射流A的边界面A0具有呈适当膨胀模式的均衡的形状。根据从蒸发器30流出的低压制冷剂和喷嘴射流A之间的压力差确定和改变均衡的形状。相反，拉瓦尔喷嘴的扩散器部分的形状为预定的固定形状。因此，在使用拉瓦尔喷嘴的情况下，从拉瓦尔喷嘴中的喉部排放的制冷剂没有必要以适当的膨胀模式膨胀。
在第一实施例中，喷嘴射流A的边界面A0自控制，且在喷射器40中自然改变。因此，在第一实施例中，喷嘴射流A可以适当的膨胀样式快速膨胀。相反，在拉瓦尔喷嘴中，来自喷嘴41的制冷剂的膨胀由扩散器部分的形状限制，从而喷嘴射流A不必能以适当的膨胀样式膨胀。
根据第一实施例，例如，在来自蒸发器30的低压制冷剂流的压力改变同时喷嘴41的入口压力和喷嘴41的入口温度不变的情况下，当低压制冷剂流的压力减小时，喷嘴射流A和低压制冷剂流之间的压力差增大，从而射流加宽。与此相反，当低压制冷剂流的压力增加时，喷嘴射流A和低压制冷剂流之间的压力差减小，从而射流难以加宽。
如上所述，在第一实施例中，如图5A所示，将喷嘴射流A设定为沿针44的凸出部分，所述凸出部分从喷嘴出口41b凸出进入混合部分42，从而喷嘴射流A的横截面积逐渐增大。根据喷射循环的运行条件改变喷嘴射流A和低压制冷剂流之间的边界，从而可获得接近适当的膨胀样式的膨胀样式。此外，无论热负荷波动如何，可对喷射器循环进行操作同时保持喷射器循环的高效率。
在第一实施例中，在喷嘴41中没有形成其中制冷剂流速增加的扩散器部分。因此，可减少喷嘴41的制造工艺。
在此实施例中，所形成的喷嘴出口41b具有在喷嘴41的制冷剂通道面积中的最小部分(节流部)。相反，在拉瓦尔喷嘴中，制冷剂通道面积的最小部分(节流部)需要形成在制冷剂通道的中游。因此，在此实施例中，在制造喷嘴41中可加工性提高且可易于控制公差。
通常，在拉瓦尔喷嘴中，所制造的扩散器部分的膨胀角为1°至2°，用以阻止与扩散器部分的内表面分开的流动，和用于提高喷嘴效率。因此，需要在拉瓦尔喷嘴中精确制造扩散器部分。喷嘴效率是喷嘴射流的动能与制冷剂的膨胀能的比。相反，在第一实施例中，与拉瓦尔喷嘴相比，上述喷嘴结构可获得高的喷嘴效率，同时不必需要精确制造。
在如上所述的本发明的第一实施例中，喷嘴射流A沿从喷嘴出口41b凸出的针44流入混合部分42，从而喷嘴射流A的横截面积逐渐增大。喷嘴射流A和低压制冷剂流之间的射流边界A0根据诸如压力差等操作条件而改变，从而可实现大体适当的膨胀。此外，无论特定的制冷能力和设计压力条件如何，可对喷射器循环进行操作同时保持喷射器循环的高效率。
可从针44的根部到针44的尖端改变针44的圆锥形部分44a的锥角2。具体地，针44的根部是圆锥形部分44a的部分，其位于制冷剂流的上游侧，即相对于针44的尖端位于针44的圆柱形部分侧。
[第二实施例]
现在将参看图6至图8描述本发明的第二实施例。如图6和图7所示，在第二实施例中，圆锥形部分44a的尖端部形成为平面形状或大体半球形状。
针44的圆锥形部分44a的尖端部设置在喷嘴射流A中。由于喷嘴射流A中的气穴现象，圆锥形部分44a的尖端部易于被腐蚀，且尖端部易于变形。此外，难以制造圆锥形部分44a的非常细的尖端部。因此，针44的制造成本会增加。
相反，在图6和图7所示的第二实施例中，去除了圆锥形部分44a的细的尖端部，以便将其形成为平面形状或大体半球形状，从而提高圆锥形部分44a的可加工性。因此，可阻止圆锥形部分44a的尖端部由于腐蚀造成变形。
如上所述，喷嘴射流A以高速(例如高于100m/s)沿针44的表面流动。如图8所示，当在针44中没有形成圆锥形尖端部时，在圆锥形部分44a的尖端部周围产生小的循环流(涡流)。然而，与形成圆锥形部分44a的尖的尖端部的情况相比，即使针44中没有形成圆锥形尖端部，喷嘴射流A也基本上不改变。
无论是否提供针44的尖的尖端部，喷嘴射流A都不会大幅改变。因此，即使在第二实施例中的针44(即不具有尖的尖端部的针44)用于喷嘴41中时，也可对喷射循环进行操作，同时保持高的喷嘴效率。
[第三实施例]
现在将参看图9描述本发明的第三实施例。如图9所示，在第三实施例中，在下游端区域处在喷嘴41中形成直部41e。直部41e的横截面积(径向内部尺寸)变得基本恒定。具体地，直部41e在喷嘴出口41b和喉部41d之间形成，其中在喉部41d中流体通道的横截面积减少的最大。
喷嘴出口41b是锥形喷嘴中径向内部尺寸大幅减少的部分。然而，在锥形喷嘴部分41c通过机械加工制造的情况下，如果在机械加工中工作机的总进给度改变，则喷嘴出口41b的直径根据工作机的总进给度而改变。如果喷嘴1通过铸造形成，则需要通过额外的机械加工对于铸造喷嘴41进行修整工艺。即使在这种情况下，喷嘴出口41b的直径也根据机械加工中工作机的总进给度的变化而改变。
相反，在第三实施例中，在喷嘴出口41b侧的下游端区域上形成直部41e。可在锥形部分的加工工艺中改变工作机的切削工具的总进给度。即使在这种情况下，只要直部41e存在，在流体通道中减少最大的横截面(节流部)处，直部41e的内径变为喷嘴部分41c的内径。此处，节流部处喷嘴部分41c的内径与喉部41d的内径大体相等。因此，可易于控制节流部处喷嘴部分41c的内径，从而可极大地减少喷嘴41的制造工艺。
当直部41e形成在喷嘴出口41b侧时，节流部设置在直部41e连接到锥形喷嘴部分41c的下游端的连接部分处。因此，当制冷剂流向喷嘴出口41b时，通道截面积从锥形喷嘴部分41c的下游端逐渐增加。通道截面积由喷嘴41中的圆锥形部分44a和直部41e的外周表面形成。而且，直部41e的内径基本不变，圆锥形部分44a的横截面积朝着下游侧逐渐减少。因此，直部41e中的通道截面积朝着下游端侧增加。
因此，制冷剂在直部41e中开始膨胀和汽化。因此，如果直部41e过长，则无因次数(直部中的通道截面积/喉部中的截面积)变得过大。在此情形下，直部41e中的制冷剂过度膨胀，从而喷嘴41的喷嘴效率降低。因此，需要将直部41e的长度设定为预定长度，以使不会在直部41e中出现过度膨胀。甚至在第三实施例中，由于针44的圆锥形部分44a从喷嘴出口41b突出，所以可获得与第一实施例相似的优点。
[第四实施例]
现在将参看图10至图12描述本发明的第四实施例。如图10所示，在本实施例中，为了使针44在其轴向移位而设置致动装置47。根据流入喷嘴41的高压制冷剂的流量使针44移位，从而控制和改变喷嘴出口41b的实际张开度。
步进电机用于本实施例中的致动装置47。根据步进电机的旋转度使针44在其轴向移位。
制冷剂流入喷嘴41，且本实施例中，在喷嘴41中制冷剂速度增加到声速。因此，通过喷嘴41的制冷剂的流速不受喷射器40中低压侧的制冷剂条件的较大影响。
通过喷嘴41的制冷剂的流速与通过将喷嘴41中的喉部的横截面积与流入喷嘴41的制冷剂的压力相乘所计算出的值成比例。此处，喷嘴41中的喉部在喷嘴41的制冷剂流体通道中具有最小的横截面积。当喷射器循环的热负荷改变时，喷射器循环的运行条件改变。因此，喉部所需的通道截面积改变。
在第四实施例中，使针44移位，且喉部的通道截面积改变，从而喉部的适当通道截面积可保持不变。因此，可有效地运行喷射器循环。详细地如图11A所示，当高压制冷剂流速增加时，针阀44使喉部41b的通道截面积增加。相反，如图11B所示，当高压制冷剂流速减少时，针阀44使喉部41b的通道截面积减少。
在第四实施例中，如图11A所示，当使针44移位到混合部分42的相对侧时，喉部的通道截面积(即喷嘴射流A的横截面积)增加。在此情形下，相对于喷嘴射流A的总横截面积，在喷嘴出口41b处喷嘴射流A中的针44的相对横截面积变小。因此，当喷嘴射流A沿针44的表面流到喷嘴出口41b的下游侧时，喷嘴射流A的横截面积不会大幅改变。即，在喷嘴出口4lb处喷嘴射流A的横截面积的扩张度变小。在此情形下，在喷嘴出口41b处喷嘴射流A的压降较小。因此，当喉部(喷嘴出口41b)的张开度较大时，喷嘴射流A和从蒸发器30向混合部分42抽取的低压制冷剂之间的压力差在喷嘴出口41b处变大。因此，如上所述，喷嘴射流A的边界面A0在喷嘴出口41b(喉部)处扩大。
相反，如图11B所示，当使针44移位到混合部分42侧时，喉部(喷嘴出口41b)的通道截面积减少。在此情形下，相对于喷嘴射流A的总横截面积，在喷嘴出口41b处喷嘴射流A中的针44的相对横截面积变大，因此，当喷嘴射流A沿针44的表面流到喷嘴出口41b的下游侧时，喷嘴射流A的横截面积大幅改变。即，在喷嘴出口41b处喷嘴射流A的横截面积的扩张度变大。在此情形下，在喷嘴出口41b处喷嘴射流A的压降变大。因此，当喉部(喷嘴出口41b)的张开度较小时，喷嘴射流A和从蒸发器30向混合部分42抽取的低压制冷剂之间的压力差在喷嘴出口41b处变小。因为由于喷嘴出口41b处的压降引起高压制冷剂减压，高压侧制冷剂的压力变得接近低压制冷剂的压力。因此，如上所述，喷嘴射流A的边界面A0不易在喷嘴出口41b(喉部)处扩大。
因此，在本实施例中，喷嘴射流的形状根据喉部(喷嘴出口)41b的通道截面积的改变而改变。从而，喷嘴出口41b中的制冷剂流体通道截面积根据喉部的截面积的改变而改变。
例如，当流入喷嘴41的制冷剂的压力不变时，在适当的膨胀样式中，无因次数D(图21)成为恒定的。此处，通过用喉部的横截面积除喷嘴41中的流体通道的横截面积而计算出无因次数D。因此，在本实施例中，无论流入喷嘴41的制冷剂量如何，无因次数D都保持不变。因此，可恒定地保持喷射器的高效率。
相对于本实施例中的喷嘴41的情形和为每种运行条件而优化的各种拉瓦尔喷嘴的情形，喷射器中的加压度和喷嘴中的制冷剂流量之间的关系如图12所示。此处，将单个喷嘴41和单个针44用在本实施例中的喷射器40中，且在图12中的实验中仅改变喷嘴41和针44的相对位置。
本实施例中的喷射器可产生与为每种运行条件而优化的拉瓦尔喷嘴等效的性能。因此，单个喷嘴41和单个针44可适合于本实施例中的操作条件的改变。
[第五实施例]
现在将参看图13和图14描述本发明的第五实施例。如图13所示，在本实施例中将正比螺线管应用于致动装置47。
发动机转速根据车辆中的驱动负荷而改变。因此，当压缩机10由车辆的驱动发动机驱动时，即使空调载荷不改变，压缩机10的转速也可突然改变。针44需要迅速移位，从而可迅速消减压缩机10转速的突然改变。
在本实施例中，将正比螺线管用于致动针44。与第四实施例中的步进电机相比，正比螺线管具有更迅速的响应特性。
如图14所示，在本实施例中，正比螺线管的电磁线圈中产生磁场并且磁场受控制。详细地，电磁力(螺线管力)被控制，以使螺线管力和喷嘴41周围的高压制冷剂流和低压制冷剂流之间的压力差保持平衡，从而设定针44的位置。
在本实施例中，初步确定喷射器40中的弹簧100的弹簧力，从而即使在喷嘴41周围(尤其是喷嘴出口41b周围)的压力差变为最大时，针44也不关闭喷嘴出口41b。
[第六实施例]
现在将参看图15至图17描述本发明的第六实施例。在上述实施例中，针44的圆锥形部分44a的锥角从针44的根部到针44的尖端部是不变的。如图15所示，在第六实施例中，锥形部分44a构造有靠近圆柱形部分44c的根部44a1，和端侧部分44a2。在本实施例中，针44的端侧部分44a2的锥角1预先确定为小于针44的根部44a1的锥角2。此处，相对于针44的端侧部分44a2，针44的根部44a1位于针44的圆柱形部分44c侧。即，在针44的锥形部分44a中的尖端部44a2和根部44a1之间，锥形部分44a的锥角从1改变到2。
此处，针44的根部44a1的锥角2是其中锥形部分44a(根部44a1)的横截面积变为最大的部分的角度。针44的根部44a1位于针44的锥形部分44a的端侧部分44a2的轴向相对侧。
与第四实施例和第五实施例中的喉部的通道截面积的变化相比，喷嘴41的喉部的通道截面积(喉部面积)的变化可相对于针44的移位量增大。因此，可减小针44的移位范围，从而可减小喷射器40的尺寸。
如图16所示，在本实施例中将机械致动装置用作致动装置47。机械致动装置根据高压制冷剂的温度使针44轴向移位。如果在喷射器40中使用机械致动装置，则可减小针44的移位范围。
第六实施例中的致动装置47具有与JP-A-9-264622中披露的致动装置大体相同的结构。具体地，元件47a在一侧与针47连接，在另一侧与膜片47b连接。针44根据膜片47b的移动轴向移位。
膜片47b插在第一壳47c和第二壳47d之间。第一壳47c和第二壳47d的外周部分相互焊接和结合，从而在第一壳47c和膜片47b之间形成封闭空间47e。制冷剂包含在封闭空间47e中。在本实施例中，将二氧化碳用作制冷剂，并将其密封在封闭空间47e中。举例来说，封闭空间47e中制冷剂的浓度约为600kg/m3。螺旋弹簧47f朝着针44关闭喷嘴41的方向推进针44。
当高压制冷剂的压力变得小于制冷剂的临界压力时，高压制冷剂变为包含气体制冷剂流和液体制冷剂流的两相流。在此情形下，封闭空间47e中制冷剂的温度变得与致动装置47中封闭空间47e周围的两相高压制冷剂的温度相等。
封闭空间47e的压力(在高压制冷剂的温度下的饱和压力)变得与高压制冷剂的压力相等。在此情形下，螺旋弹簧47f朝着针44侧(图16中的右侧)推动元件47a和膜片47b。由膜片47b和第一壳47c限定的封闭空间47e的体积增加，从而封闭空间47e中的压力减少，封闭空间47e中制冷剂的温度也减少。即，封闭空间47e中制冷剂的过冷度由螺旋弹簧47f的推进力所保证。
螺旋弹簧47f的推进力约为0.6MPa，其为计算的以相应于膜片47b的压力的换算过的压力。当高压制冷剂的压力小于制冷剂的临界压力时，0.6MPa等于5℃时的过冷度的压力。
接下来将描述致动装置47的操作。
在第一壳47c和第二壳47d周围，高压制冷剂从高压制冷剂入口46a流入致动装置47。封闭空间47e中制冷剂的温度变得与封闭空间47e周围的高压制冷剂的温度大体相同。在此情形下，封闭空间47e中制冷剂的温度和封闭空间47e中的压力沿图17所示的600kg/m3的等密度线改变。
例如，当封闭空间47e中制冷剂的温度为40℃时，封闭空间47e中的压力变为约9.7MPa。如果高压制冷剂的压力小于10.3MPa，则将膜片47b推向针44侧，从而针44沿着关闭喷嘴41的方向移动。此处，通过将封闭空间47e中制冷剂的压力(9.7MPa)与螺旋弹簧47f的推进力(0.6MPa)相加计算出压力(10.3MPa)。即，封闭空间47e中的压力和螺旋弹簧47f的推进力的总力大于致动装置47中的高压制冷剂的压力。在此情形下，将膜片47b推向针44侧，从而针44朝着混合部分42(图16中的右侧)移位。
相反，如果高压制冷剂的压力大于10.3MPa，则将膜片47b推向针44的相对侧，从而针44沿着打开喷嘴41的方向移动。这样，自动控制喷嘴41的张开度，从而将高压制冷剂的压力控制为约10.3MPa。
与步进电机和正比螺线管相比，不能将针44通过膜片47b的移位量设定为较大值。通常，当将膜片47b用于致动装置47中时，针44的移位量小于1mm。
[第七实施例]
现在将参看图18描述本发明的第七实施例。在本实施例中描述对第六实施例中的针44所作的更改。具体地，如图18所示，圆锥形部分44a的端侧部分44a2的尖端形成为平面形状或大体半球形状。此外，圆锥形部分44a被如此形成，以使针44的端侧部分44a2的锥角1变得小于针44的根部44a1的锥角2。在第七实施例中，其它部件与上述第六实施例的部件类似。
[其它实施例]
虽然参看附图结合本发明的优选实施例对本发明进行了充分的描述，但还须指出，各种变化和更改对本领域的技术人员来说是显然的。
例如，在上述实施例中将本发明的喷射器40用在车辆空调器中。然而，本发明不限于在车辆空调器中的使用，也可用在其它喷射器循环中，例如用于其它用途的制冷器、冷冻器、和热水服务系统中。
致动装置47不限于上述实施例。例如，致动装置47可以是使用惰性气体压力、液体压力的机械致动装置、电机、和齿轮。此外，也可使用电动致动装置，例如使用压电期间的非电磁致动装置。
在上述实施例中，将二氧化碳用于制冷剂，且将高压制冷剂的压力设定为高于制冷剂的临界压力。然而，可将氟里昂(R134a)用于制冷剂，从而将高压制冷剂的压力设定为低于制冷剂的临界压力。而且，可将上述实施例的至少两个结合起来。
圆锥形部分44a可被如此形成，以使针44的端侧部分44a2的锥角1变得大于针44的根部44a1的锥角2。此外，可改变端侧部分44a2的锥角1和根部44a1的锥角2，以使喷射器的效率得到提高。
这样的变化和更改应被理解为包含在由所附权利要求限定的本发明的范围内。