CN101617110B - 热交换器系统及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种热交换器系统及其操作方法。热交换系统包括：可操作以从冷却剂中移除热量的散热器；延伸通过第一增压空气冷却器和第二增压空气冷却器的空气流动通路，第一增压空气冷却器可以操作以将热量从空气传递到冷却剂，第二增压空气冷却器沿着空气流动通路设置在第一增压空气冷却器的下游，以从第一增压空气冷却器接收空气并可操作以将热量从空气传递到冷却剂；以及在冷却剂泵、散热器以及第一和第二增压空气冷却器之间延伸的冷却剂回路。

Description

热交换器系统及其操作方法
相关申请
本申请要求提交日为2007年2月20日的在先提交的共同在审临时专利申请No.60/902,314的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及热交换系统，更具体地，涉及用于冷却车辆发动机中的增压空气（charge air）的热交换系统以及这种系统的操作方法
发明内容
在一些实施例中，本发明提供了一种延伸通过车辆发动机的热交换系统。该系统可以包括平行布置的第一和第二增压空气冷却器，以从散热器接收第一工作流体。第一增压空气冷却器和第二增压空气冷却器中的每一者都可以操作以在第一工作流体与第二工作流体之间传递热量。在一些实施例中，第二工作流体在进入第一增压空气冷却器之前流动通过第一涡轮增压器，并且在进入第二增压空气冷却器之前流动通过第二涡轮增压器。
本发明还提供了一种延伸通过车辆发动机的热交换系统，该系统包括第一增压空气冷却器、第二增压空气冷却器和泵，其中泵用于非顺序地将第一工作流体提供给第一增压空气冷却器和第二增压空气冷却器二者。第一增压空气冷却器和第二增压空气冷却器中的每一者都可以操作以在第一工作流体与第二工作流体之间传递热量。
在一些实施例中，本发明提供了一种热交换系统，该系统包括可操作以从冷却剂中移除热量的散热器和延伸通过第一增压空气冷却器和第二增压空气冷却器的空气流动通路。第一增压空气冷却器可以操作以将热量从空气传递到冷却剂。第二增压空气冷却器沿着空气流动通路设置在第一增压空气冷却器的下游，以从第一增压空气冷却器接收空气并可操作以将热量从空气传递到冷却剂。该热交换系统也可以包括冷却剂回路，冷却剂回路在冷却剂泵、散热器以及第一和第二增压空气冷却器之间延伸。冷却剂回路为冷却剂流动通路的第一支路，并且其中，所述泵将第一数量的冷却剂引导到冷却剂回路中并将第二数量的冷却剂引导通过延伸通过发动机的第二支路。所述第二支路在将经冷却的冷却剂返回到所述泵之前延伸通过气冷式散热器。所述散热器为第一散热器并且所述气冷式散热器为第二散热器，其中，第一散热器沿着冷却剂流动通路的第一支路设置，以在冷却剂被沿着冷却剂回路引导到第一增压空气冷却器或第二增压空气冷却器之前，从所述泵接收冷却剂。
本发明也提供了一种热交换系统，其包括可操作以从冷却剂中移除热量的散热器，以及在冷却剂泵、散热器以及第一和第二增压空气冷却器之间延伸的冷却剂回路。沿着冷却剂流动通路的压力差将第一预定数量的冷却剂从散热器分配到第一增压空气冷却器，并将第二预定数量的冷却剂从散热器分配到第二增压空气冷却器。该热交换系统也可以包括延伸通过第一增压空气冷却器和第二增压空气冷却器的空气流动通路。第一和第二增压空气冷却器可以操作以将热量从沿着空气流动通路流动的空气传递到沿着冷却剂回路流动通过第一增压空气冷却器的冷却剂和流动通过第二增压空气冷却器的冷却剂。冷却剂回路为冷却剂流动通路的第一支路，并且其中，所述泵将第一数量的冷却剂引导到冷却剂回路中并将第二数量的冷却剂引导通过延伸通过发动机的第二支路。所述第二支路在将经冷却的冷却剂返回到所述泵之前延伸通过气冷式散热器。
此外，本发明提供了一种操作热交换系统的方法，该方法包括以下步骤：沿着冷却剂回路将冷却剂引导通过泵和散热器；在第一增压空气冷却器与第二增压空气冷却器之间分配来自散热器的冷却剂；沿着空气流动通路将空气引导通过第一增压空气冷却器和第二增压空气冷却器；将热量从空气传递到第一增压空气冷却器中的冷却剂；以及将热量从空气传递到第二增压空气冷却器中的冷却剂。沿着冷却剂回路引导冷却剂通过泵、散热器、第一增压冷却器和第二增压空气冷却器的步骤包括将第一数量的冷却剂引导通过冷却剂流动通路的第一支路，还包括将第二数量的冷却剂引导通过延伸通过所述发动机的第二支路。将第二数量的冷却剂引导通过第二支路的步骤包括：在将经冷却的冷却剂返回所述泵之前引导第二数量的冷却剂通过气冷式散热器。
本发明还提供了一种操作热交换系统的方法，该方法包括以下步骤：沿着空气流动通路引导空气顺序地通过第一涡轮增压器、第一增压空气冷却器、第二涡轮增压器和第二增压空气冷却器；以及控制沿着冷却剂回路的压力差以将沿着冷却剂回路流动并离开散热器的冷却剂分配到第一增压空气冷却器和第二增压空气冷却器中的每个中。
通过研究详细说明书和附图，本发明的其他方面将会变得更明白。
附图说明
图1为根据本发明的一些实施例的热交换系统的示意图。
具体实施方式
在详细描述本发明的任何实施例之前，应该理解本发明就其应用而言不限于在以下说明中阐述或在以下附图中图示的部件的结构和布置的细节。本发明能够具有其他实施例并能够以各种方式实际应用或实施。同样，应该认识到这里所使用的措词和术语是以描述为目的并不应该被认为是限制。在这里“包括”、“包含”或“具有”及其变化的使用表示包括其后所列的各项及其等同方案以及附加项。
除非另外指明或限制，术语“安装”、“连接”、“支撑”和“耦合”及其变化以广义方式使用，并包括直接和间接的安装、连接、支撑和耦合。此外，“连接”和“耦合”并不限于实体或机械的连接或耦合。此外，诸如“第一”和“第二”之类的术语在本文用于描述的目的，并不意在表示或暗示相对的重要性或显著性。
图1示出了用在车辆中的热交换系统10，该车辆例如卡车、挂接车辆、公共汽车、厢式货车、汽车、农用设备、越野车等。在本发明的一些实施例中，热交换系统10包括沿着热交换回路24设置并通过热交换回路24流体地连接的泵12、第一散热器16、第二散热器18、第一增压空气冷却器20和第二增压空气冷却器22。如图1所示，热交换系统10的至少一部分可以延伸通过车辆发动机14。
在一些实施例中，泵12可以操作以将第一数量的相对低温的工作流体（例如，水、水-乙二醇混合物等）沿着热交换回路24的支路28引导向车辆发动机14（如图1的箭头26所示）。工作流体26之后流动通过车辆发动机14或车辆发动机14的一部分。随着工作流体26流动通过车辆发动机14，热量可以从车辆发动机14传递到工作流体26，由此升高工作流体26的温度并冷却车辆发动机14或车辆发动机14的一部分。
虽然在图1中未示出，热交换系统10也可以另外地或替代地包括沿着热交换回路24设置的加热元件。在一些实施例中，离开车辆发动机14的高温工作流体26可以被引导通过加热元件以将热量提供给车辆的客舱。在一些这种实施例中，加热元件对由主客舱加热元件提供给客舱的热量进行补充。
从车辆发动机14或者也可以从加热元件，工作流体26沿着热交换回路24通过支路28朝向第一散热器16流动。在一些实施例中，第一散热器16可以设置在车辆发动机14中或紧邻车辆发动机14。在其他实施例中，第一散热器16可以设置在车辆各处的其他位置。
随着工作流体26流动通过第一散热器16，热量可以从工作流体26传递到空气中，或者传递到流动通过第一散热器16的冷却剂中。以此方式，第一散热器16降低了工作流体26的温度。工作流体26从第一散热器16沿着热交换回路24流动并流回泵12以在热交换回路24中再循环。
如上所述，泵12可以操作以将第一数量的相对低温的工作流体26沿着热交换回路24的支路28引导向车辆发动机14。在一些实施例中，泵12也可以另外地或者替代地操作以将第二数量的工作流体26沿着支路34引导向第二散热器18。
随着工作流体26流动通过第二散热器18，热量可以从工作流体26传递到空气中，或者传递到流动通过第二散热器18的冷却剂中。以此方式，第二散热器18降低了工作流体26的温度。
从第二散热器18，工作流体26沿着热交换回路24通过支路34朝向第一增压空气冷却器20流动，或者通过支路34朝向第二增压空气冷却器22流动。在一些实施例中，大约40%体积的工作流体26被引导到第一增压空气冷却器20，大约60%体积的工作流体26被引导到第二增压空气冷却器22。在其他实施例中，大约相等体积的工作流体26被引导到第一增压空气冷却器20和第二增压空气冷却器22中的每个中。在其他实施例中，大约60%体积的工作流体26被引导到第一增压空气冷却器20，大约40%体积的工作流体26被引导到第二增压空气冷却器22。在其他实施例中，热交换回路24可以将不同体积的工作流体26引导到第一增压空气冷却器20和第二增压空气冷却器22中的每个中。
在诸如图1中图示的实施例的实施例中，工作流体26被引导到第一增压空气冷却器20和第二增压空气冷却器22任一者中，可以通过将流动通过热交换系统10的一个或多个元件的工作流体26的压力保持在所期望的范围内，来至少部分地控制通过热交换回路24的工作流体26的流动和工作流体26到第一和第二增压空气冷却器20和22中的每一者的分配。在一些这种实施例中，热交换系统10可以在不使用阀门或其他流量控制或流量调节设备的情况下，将期望体积的工作流体26的分配到第一和第二增压空气冷却器20、22的每个中。在其他实施例中，热交换系统10可以另外地或替代地包括沿着热交换回路24设置的阀门或其他流量控制或流量调节设备。
如图1所示，车辆发动机14可以包括沿着空气流动通路48设置的进气口42、第一涡轮增压器44和第二涡轮增压器46。也如图1所示，空气流动通路48可以延伸穿过或经过第一和第二增压空气冷却器20、22。
在一些实施例中，大气（图1中由箭头52所表示）通过进气口42在近似大气压下进入空气流动通路48，并且朝向第一涡轮增压器44流动。随着空气52流动通过第一涡轮增压器44，空气52被压缩，由此提升了气体52的温度。
压缩的空气52之后沿着空气流动通路48朝向第一增压空气冷却器20行进，热量在第一增压空气冷却器20处从空气52传递给工作流体26，由此升高了工作流体26的温度并降低了空气52的温度。空气52之后沿着空气流动通路48朝向第二涡轮增压器46继续，并且工作流体26之后沿着热交换回路24继续并返回泵12以在热交换回路24中再循环。
随着空气52流动通过第二涡轮增压器46，空气52被进一步压缩并且空气52的温度增加。压缩空气52之后沿着空气流动通路48朝着第二增压空气冷却器22行进，热量在第二增压空气冷却器22处从空气52传递给工作流体26，由此升高了工作流体26的温度并降低了空气52的温度。空气52之后沿着空气流动通路48朝向车辆发动机14继续，并且工作流体26之后沿着热交换回路24继续并返回泵12以在热交换回路24中再循环。
在一些实施例中，第一和第二涡轮增压器44和46、第一和第二增压空气冷却器20和22和/或热交换系统10的其他元件被一起设计为整体系统，以使得热交换系统10可被操作以在气温高的时候（即，当环境温度大于或等于约25℃时）将低温工作流体26提供给第一和第二增压空气冷却器20和22。替代地或另外的，第一和第二涡轮增压44和46、第一和第二增压空气冷却器20和22和/或热交换系统10的其他元件被设计以使得工作流体26所经历的压力降（pressure drop）最小化并防止工作流体26在流动通过热交换回路24时沸腾。
在一些实施例中，本发明的第一热交换系统10可操作以保持相对稳定的进气歧管温度。更具体地，第一和第二增压空气冷却器20和22可操作以将进入进气歧管的空气的温度保持在围绕所期望的工作温度的相对窄的范围或该范围之内。在一些实施例中，可以使用系统控制器和/或阀装置进一步调节进入进气歧管的空气的温度，其中系统控制器和/或阀装置用于调节通过第一和第二散热器16、18的工作流体26的流。此外，因为进气歧管温度被保持在相对稳定的温度下，车辆发动机14可以相对有效地工作，由此减少了排放并将燃料消耗减到最小。
在一些实施例中，热交换系统10另外地或替代地可以操作以在天气冷的时候加热车辆发动机14或车辆发动机14的一部分。在一些这种实施例中，随着工作流体26流动通过热交换回路24，工作流体26将热量从第一和/或第二涡轮增压器44、46分配到车辆发动机14或车辆发动机14的一些部分，由此有效地预热车辆发动机14。
上文中所描述并在附图中示出的实施例仅作为示例所提出，并不意味着作为本发明的概念和原理的限制。由此，本领域的技术人员将要认识到各种改变是可能的。

Claims (34)

1.一种热交换系统，包括：
散热器，其可操作以从冷却剂中移除热量；
空气流动通路，其延伸通过第一增压空气冷却器和第二增压空气冷却器，所述第一增压空气冷却器可操作以将热量从空气传递到所述冷却剂，所述第二增压空气冷却器沿着所述空气流动通路设置在所述第一增压空气冷却器的下游，以从所述第一增压空气冷却器接收所述空气并可操作以将热量从所述空气传递到所述冷却剂；以及
冷却剂回路，其在冷却剂泵、所述散热器以及所述第一和第二增压空气冷却器之间延伸，
沿着所述冷却剂回路的压力差将第一预定数量的所述冷却剂从所述散热器分配到所述第一增压空气冷却器，并将第二预定数量的所述冷却剂从所述散热器分配到所述第二增压空气冷却器，使得不需要阀门。
2.根据权利要求1所述的热交换系统，其中，以平行流动的布局沿着所述冷却剂回路布置所述第一和第二增压空气冷却器。
3.根据权利要求1所述的热交换系统，其中，在所述空气流动通过第一涡轮增压器、所述第一增压空气冷却器、第二涡轮增压器和所述第二增压空气冷却器并进入车辆发动机之前，所述空气进入所述空气流动通路。
4.根据权利要求3所述的热交换系统，其中，所述第一涡轮增压器沿着所述空气流动通路设置在所述第二增压空气冷却器的上游。
5.根据权利要求3所述的热交换系统，其中，所述第二涡轮增压器沿着所述空气流动通路设置在所述第一增压空气冷却器的下游和所述第二增压空气冷却器的上游。
6.根据权利要求1所述的热交换系统，其中，所述冷却剂回路为冷却剂流动通路的第一支路，并且其中，所述泵将第一数量的所述冷却剂引导到所述冷却剂回路中并将第二数量的所述冷却剂引导通过延伸通过车辆发动机的第二支路。
7.根据权利要求6所述的热交换系统，其中，所述第二支路在将经冷却的冷却剂返回到所述泵之前延伸通过气冷式散热器。
8.根据权利要求7所述的热交换系统，其中，所述散热器为第一散热器并且所述气冷式散热器为第二散热器，其中，所述第一散热器沿着所述冷却剂流动通路的所述第一支路设置，以在所述冷却剂被沿着所述冷却剂回路引导到所述第一增压空气冷却器或第二增压空气冷却器之前，从所述泵接收冷却剂。
9.根据权利要求1所述的热交换系统，其中，来自所述散热器的冷却剂在所述第一增压空气冷却器与所述第二增压空气冷却器之间分配。
10.一种热交换系统，包括：
散热器，其可操作以从冷却剂中移除热量；
冷却剂回路，其在冷却剂泵、散热器以及第一增压空气冷却器和第二增压空气冷却器之间延伸，沿着所述冷却剂回路的压力差将第一预定数量的所述冷却剂从所述散热器分配到所述第一增压空气冷却器，并将第二预定数量的所述冷却剂从所述散热器分配到所述第二增压空气冷却器；以及
空气流动通路，其延伸通过所述第一增压空气冷却器和所述第二增压空气冷却器，所述第一和第二增压空气冷却器可操作以将热量从沿着所述空气流动通路流动的空气传递到沿着所述冷却剂回路流动通过所述第一增压空气冷却器的所述冷却剂和流动通过所述第二增压空气冷却器的所述冷却剂。
11.根据权利要求10所述的热交换系统，其中，沿着所述空气流动通路布置至少两个涡轮增压器。
12.根据权利要求11所述的热交换系统，其中，在所述空气流动通过所述至少两个涡轮增压器中的第一者、所述第一增压空气冷却器、所述至少两个涡轮增压器中的第二者和所述第二增压空气冷却器并进入车辆发动机之前，所述空气进入所述空气流动通路。
13.根据权利要求12所述的热交换系统，其中，所述至少两个涡轮增压器中的至少一者沿着所述空气流动通路设置在所述第一增压空气冷却器的下游。
14.根据权利要求13所述的热交换系统，其中，所述至少两个涡轮增压器中的另外一者沿着所述空气流动通路设置在所述第一增压空气冷却器的上游。
15.根据权利要求10所述的热交换系统，其中，所述冷却剂回路为冷却剂流动通路的第一支路，并且其中，所述泵将第一数量的所述冷却剂引导到所述冷却剂回路中并将第二数量的所述冷却剂引导通过延伸通过车辆发动机的第二支路。
16.根据权利要求15所述的热交换系统，其中，所述第二支路在将经冷却的冷却剂返回到所述泵之前延伸通过气冷式散热器。
17.根据权利要求15所述的热交换系统，其中，所述散热器为第一散热器，其中，所述第二支路在将经冷却的冷却剂返回到所述泵之前延伸通过第二散热器，并且其中，所述第一散热器沿着所述冷却剂流动通路的所述第一支路设置，以在所述冷却剂被沿着所述冷却剂回路引导到所述第一增压空气冷却器或第二增压空气冷却器之前，从所述泵接收冷却剂。
18.一种操作热交换系统的方法，所述方法包括以下步骤：
沿着冷却剂回路将冷却剂引导通过泵和散热器；
在第一增压空气冷却器与第二增压空气冷却器之间分配来自所述散热器的所述冷却剂；
沿着空气流动通路将空气引导通过所述第一增压空气冷却器和所述第二增压空气冷却器；
将热量从所述空气传递到所述第一增压空气冷却器中的所述冷却剂；以及
将热量从所述空气传递到所述第二增压空气冷却器中的所述冷却剂，
所述方法还包括：控制沿着所述冷却剂回路的压力差，以分别将沿着所述冷却剂回路流动的预定数量的所述冷却剂引导到所述第一增压空气冷却器和所述第二增压空气冷却器中。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：将离开所述第一增压空气冷却器和所述第二增压空气冷却器中至少一者的冷却剂引导通过车辆发动机，以预热所述车辆发动机。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：保持基本稳定的发动机进气歧管温度。
21.根据权利要求18所述的方法，还包括：在所述第一增压空气冷却器与所述第二增压空气冷却器之间分配离开所述散热器的冷却剂。
22.根据权利要求18所述的方法，其中，沿着空气流动通路将空气引导通过所述第一增压空气冷却器和所述第二增压空气冷却器的步骤包括：引导所述空气顺序地通过第一涡轮增压器、所述第一增压空气冷却器、第二涡轮增压器以及所述第二增压空气冷却器，并进入车辆发动机。
23.根据权利要求18所述的方法，其中，沿着所述冷却剂回路引导所述冷却剂通过所述泵、所述散热器、所述第一增压冷却器和所述第二增压空气冷却器的步骤包括将第一数量的冷却剂引导通过冷却剂流动通路的第一支路，还包括将第二数量的冷却剂引导通过延伸通过车辆发动机的第二支路。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，将第二数量的所述冷却剂引导通过所述第二支路的步骤包括：在将经冷却的冷却剂返回所述泵之前引导所述第二数量的冷却剂通过气冷式散热器。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，将第二数量的所述冷却剂引导通过所述第二支路的步骤包括：在所述第一支路和所述第二支路之间分配离开所述泵的冷却剂，以将冷却剂分别提供给所述第一增压空气冷却器和所述第二增压空气冷却器以及车辆发动机。
26.根据权利要求18所述的方法，其中，在所述第一增压空气冷却器与所述第二增压空气冷却器之间分配来自所述散热器的所述冷却剂的步骤包括：将第一预定数量的冷却剂从所述散热器引导向所述第一增压空气冷却器，以及将第二预定数量的冷却剂从所述散热器引导向所述第二增压空气冷却器。
27.一种操作热交换系统的方法，所述方法包括以下步骤：
沿着空气流动通路引导空气顺序地通过第一涡轮增压器、第一增压空气冷却器、第二涡轮增压器和第二增压空气冷却器；以及
控制沿着冷却剂回路的压力差，以将沿着所述冷却剂回路流动并离开散热器的冷却剂分配到第一增压空气冷却器和第二增压空气冷却器中的每一者中，
在所述第一增压空气冷却器与所述第二增压空气冷却器之间分配来自所述散热器的所述冷却剂的步骤包括：将第一预定数量的冷却剂从所述散热器引导向所述第一增压空气冷却器，以及将第二预定数量的冷却剂从所述散热器引导向所述第二增压空气冷却器。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述冷却剂回路包括泵，所述方法还包括：从所述第一增压空气冷却器和所述第二增压空气冷却器将冷却剂引导到所述泵中，并且将所述冷却剂的至少一部分从所述泵引导到所述散热器中。
29.根据权利要求27所述的方法，还包括：将离开所述第一增压空气冷却器和所述第二增压空气冷却器中至少一者的冷却剂引导通过车辆发动机，以预热所述车辆发动机。
30.根据权利要求29所述的方法，还包括：保持基本稳定的发动机进气歧管温度。
31.根据权利要求27所述的方法，其中，沿着所述空气流动通路引导空气通过所述第一增压空气冷却器和所述第二增压空气冷却器的步骤包括：将所述空气从所述第二增压空气冷却器引导进入车辆发动机。
32.根据权利要求31所述的方法，其中，沿着所述冷却剂回路引导所述冷却剂通过所述泵、所述散热器、所述第一增压空气冷却器和所述第二增压空气冷却器的步骤包括将第一数量的冷却剂引导通过冷却剂流动通路的第一支路，还包括将第二数量的冷却剂引导通过延伸通过所述发动机的第二支路。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，引导所述第二数量的所述冷却剂通过所述第二支路的步骤包括：在将经冷却的冷却剂返回到所述泵之前，引导所述第二数量的冷却剂通过气冷式散热器。
34.根据权利要求32所述的方法，其中，引导所述第二数量的所述冷却剂通过所述第二支路的步骤包括：在所述第一支路和所述第二支路之间分配离开所述泵的冷却剂，以将冷却剂分别提供给所述第一增压空气冷却器和所述第二增压空气冷却器以及车辆发动机。
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