CN101622509B - 汽车用空调系统 - Google Patents

Abstract

换热器具有错流/逆流结构，以便被引导流过整个所述换热器的空气在两个连续的排中被加热。该设计利用了制冷剂共混物的温度滑移。在该设计中，最热的制冷剂共混物与最热的空气接触，最冷的制冷剂共混物与最冷的空气接触，从而与单排换热器中的纯制冷剂相比，降低了制冷剂共混物的平均温度与空气的平均温度之间的差值。

Description

汽车用空调系统

发明背景

1.发明领域

本发明涉及用于流通热传递流体的换热器，例如冷凝器和蒸发器。具体地讲，本发明涉及可以用于汽车的换热器的独特设计。

2.背景技术

制冷业在过去几十年内一直在努力探寻“蒙特利尔议定书”规定逐步淘汰的臭氧消耗型氯氟烃(CFC)和氢氯氟烃(HCFC)的替代性制冷剂。大部分冷冻剂生产者的解决方案一直是使氢氟烃(HFC)冷冻剂商品化。目前应用最广泛的新型HFC制冷剂HFC-134a具有零臭氧损耗潜势，因此不受当前“蒙特利尔议定书”逐步淘汰规定的影响。

另外的环保法规可能会最终导致全球性地逐步淘汰某些HFC制冷剂。目前，汽车业正面临与用于移动空调的制冷剂的全球变暖潜能值(GWP)有关的法规约束。因此，汽车空调市场目前迫切需要找到全球变暖潜能值较低的新型制冷剂。一旦这些法规在未来得到更广泛的实施，对可以用于制冷和空调行业的所有领域的制冷剂的需求将会更迫切。

目前建议的HFC-134a的替代性制冷剂包括HFC-152a、诸如丁烷或丙烷之类的纯烃、或诸如CO₂或氨之类的“天然”制冷剂。这些建议的替代物中许多是有毒、易燃和/或能效低的。因此，人们一直在寻找新的替代物，某些替代物可以为共混物，以降低例如毒性或易燃性，或提高能效。

纯制冷剂在冷凝和蒸发过程中并不表现出温度滑移。然而，制冷剂共混物在冷凝和蒸发循环中可以表现出数开氏(°K)温度的滑移。图1为具有温度滑移(ΔT_cond)的制冷剂共混物的温度/熵图。冷凝器侧的温度演变通过下列片段表示：C-D为制冷剂共混物的减温阶段，D-F为具有温度滑移的冷凝阶段，F-G为再冷却阶段。E为冷凝过程的中点，冷凝发生时间介于D和F之间。

如Y轴所示，介于D和F之间的温差ΔT_cond从5至7°K变化。同样，用片段H-A表示的蒸发阶段也存在几开氏的温度滑移ΔT_evap，该值通常为5至6°K。图1所示的其他热力学演变为：片段A-B，表示制冷剂共混物在蒸发压力下的过热阶段；片段B-C，为制冷剂共混物被压缩机压缩的阶段；片段F-G，为制冷剂共混物在冷凝器末尾的再冷却阶段；片段G-H，为通过热膨胀阀门或节流管的膨胀阶段。所有这些演变过程均会在使用相变制冷剂的所有蒸气压缩系统中遇到。

图2示出了纯制冷剂的温度/熵图，如图所示，纯制冷剂在冷凝和蒸发阶段并不表现出温度滑移。在图2中，冷凝阶段D′-F′和蒸发阶段H′-A′的演变过程均为恒温，E′为冷凝阶段的中点，其温度与D和F相同。

图3为显示空气温度的纯制冷剂的温度曲线图，其中顶部线段从F’至D’为水平。图4为制冷剂共混物的温度曲线图，示出了图1中制冷剂共混物减温、冷凝和再冷却阶段的D-F和F-G演变过程。图3和图4均显示制冷剂冷凝过程中存在温差，对于纯制冷剂，其为T_y-z；对于具有温度滑移的制冷剂，其为T_w-x。如图3和图4所示，对于同一换热表面，ΔT_y-z大于ΔT_w-x，原因是滑移制冷剂实现了与空气侧温度的滑移匹配(如图4中D-F和11-12所示)，而纯制冷剂并未实现滑移匹配(如图3中D’-F’和11-12所示)。

平均热力学温度(用开氏度表示)可以用关系式T_w＝h_c-h_g/s_c-s_g来计算，其中h为焓，用kJ/kg表示，s为熵，用kJ/kg.K表示，下标表示图1和4的点。对于制冷剂共混物处于管内并由管外的空气进行冷却的换热器，平均温度T_x可类似地通过T_x＝h₁₂-h₁₁/s₁₂-s₁₁来计算。

由于空气的热容量和热导率低，因此换热性能就差，使得制冷剂-空气换热器的设计较为复杂。如本领域所已知，制冷剂-空气换热器使用翅片管来增大空气侧的换热表面，与其中有制冷剂循环的管的内表面相比，空气侧的换热表面可以增大到10至100倍。空气相对于制冷剂流以错流方式流动。此类换热器可以是冷凝器或蒸发器。

图5示出了现有技术用于冷凝制冷剂(可以为纯制冷剂或共混物)的单排制冷剂冷凝器1′的典型设计。冷凝器1’由多个翅片管的四个连续管程2′、3′、4′和5′组成。这些管通过制冷剂收集器6′平行地送入。制冷剂然后经由收集器7′、8′和9′流过连续管程3′、4′和5′，并从收集器10′流出冷凝器。空气如箭头所示从11’至12’以错流方式流过整个冷凝器。

就移动空调应用而言，这种新设计的一个显著互补优点是下文所述的双排冷凝器。图6示出了汽车保险杠15’的前端15a’，包括已知的现有技术单排冷凝器。如图7(同样示出了保险杠的前端)所示，保险杠限制了空气从图7中点a’表示的外部到图7中点b’处的冷凝器后面的发动机室内部的流通。如图7所示，空调系统的单排冷凝器1′安装在散热器16’前面紧靠保险杠后面的位置，以冷却发动机17’。此外，冷凝器1′和散热器16后面还安装有一个或数个风扇18’。当车辆空转或当进入发动机室的空气流量不足时，风扇吸入必要的气流，以冷却冷凝器和散热器。由于保险杠阻力导致冷凝器上的空气分布较差，从而妨碍移动空调系统中冷凝器的换热性能，并由此增加冷凝压力和能耗。

尽管蒸发器可以不靠近汽车的前端保险杠，但当蒸发器中使用制冷剂共混物时仍然可能表现出性能问题。图8示出了已知蒸发器的典型设计。该蒸发器(被示出大致位于19′处)被设计使用纯制冷剂，由板和翅片组成的四个膨胀箱20′、21′、22′和23′组成。制冷剂进入收集器24′，向下流入膨胀箱20′，然后经由收集器25′继续进入膨胀箱23′，随后穿过收集器26′进入膨胀箱22′，再经由收集器27′从膨胀箱22′进入膨胀箱21′，最后以蒸汽相从收集器28′流出。空气如箭头所示从点31’向点32’流动。

图9和10分别示出了纯制冷剂(图9)和制冷剂共混物(图10)的空气与制冷剂温度变化情况，其中图10的制冷剂共混物在蒸发过程中存在温度滑移。空气温度已在入口和出口之间取平均值，在图9和10中分别被示出在点29’和30’处。如图9和10所示，就图9和10中的点24’和28’之间计算所得的制冷剂平均蒸发温度而言，纯制冷剂的比制冷剂共混物的更高。

包括冷凝器和蒸发器的换热器的效率设计目的是降低在换热面每一侧流动的两种流体之间的平均温度。期望通过改变冷凝器或蒸发器的设计来降低换热面每一侧上流动的热传递流体之间的平均温度。此外，当在此类冷凝器或蒸发器中使用制冷剂共混物时，期望利用制冷剂共混物的温度滑移。此类设计对于移动空调行业使用的冷凝器和蒸发器尤其有用。

发明概述

本发明使用具有双排错流制冷剂流和逆流空气流的换热器解决了现有技术的问题。就本发明的构型来讲，冷空气从换热器前面进入并在前排加热，以便当空气到达第二排换热器时，比换热器为单排换热器的情况下的温度要高。就此类换热器(例如，冷凝器或蒸发器)的换热效果而言，结果是导致最热的制冷剂共混物与最热的空气接触，最冷的制冷剂共混物与最冷的空气接触，从而与单排换热器中使用纯制冷剂的情况相比，降低了制冷剂共混物平均温度与空气平均温度之间的差值。本发明利用的是在制冷剂共混物冷凝过程中的温度滑移，该温度滑移能带来能量增益。

因此，采用本发明有可能提高换热器例如冷凝器或蒸发器的换热能力和能量效率，并且在一般情况下提高系统的效率。

因此，根据本发明，提供了双排换热器。

因此，根据本发明，提供了用于交换热传递流体内的热量的双排换热器，其包括：入口；连接到入口的第一排，该第一排包括设置成与入口流体连通的第一管程；设置成大致平行于第一排并与其间隔开的第二排，该第二排包括至少一个第二管程和设置成与第二管程流体连通的出口；以及将第一排连接到第二排的导管。

此外，根据本发明，提供了用于汽车的空调系统，其包括：保险杠；设置在保险杠下方的双排冷凝器，该双排冷凝器包括：入口、连接到入口的第一排、连接到第一排的第二排，其中第一排包括设置成与入口流体连通的第一管程，第二排包括至少一个第二管程和设置成与第二管程流体连通的出口；以及将第一排连接到第二排的导管。

同样，根据本发明，提供了用于交换热传递流体内的热量的方法，其包括：使热传递流体在第一方向上流过后排装置；使热传递流体从后排装置经由导管部件流向前排装置；使热传递流体在大致平行于第一方向的第二方向上流过前排装置；并且引导空气以与第一和第二方向逆流的方式经过整个前排装置和后排装置。

附图简述

结合下列附图可以更好地理解本发明，其中：

图1为根据现有技术具有温度滑移的制冷剂共混物的温度/熵图。

图2为纯制冷剂的温度/熵图。

图3为纯制冷剂的温度曲线图。

图4为制冷剂共混物的温度曲线图。

图5为现有技术的单排冷凝器的示意图。

图6为汽车保险杠的前端视图，包括已知的现有技术单排冷凝器。

图7为汽车前端的平面图，包括保险杠、现有技术单排冷凝器、散热器、风扇和发动机。

图8为根据现有技术用于纯制冷剂的蒸发器的透视图。

图9为纯制冷剂的蒸发器温度曲线图。

图10为制冷剂共混物在蒸发过程中的蒸发器温度曲线图，其示出了制冷剂温度、制冷剂温度滑移和空气温度。

图11为本发明的双排冷凝器的示意图。

图12为汽车前端的平面图，包括保险杠、本发明的双排冷凝器、散热器、风扇和发动机。

图13为根据本发明用于制冷剂共混物的蒸发器的透视图。

发明详述

为了利用制冷剂共混物的温度滑移，本发明提供了双排换热器。此类换热器可以为图11所具体示出的双排冷凝器，或图13所具体示出的双排蒸发器。适用于本发明的换热器的制冷剂共混物在提交于2006年10月30日的美国专利申请11/589,588和提交于2006年7月13日的美国专利申请11/486,791中有所公开。

图11示出了根据本发明替代如图5所示的单排冷凝器1′的双排冷凝器1。如图11所示的双排冷凝器尤其为制冷剂共混物设计，并且具有与图5中设计使用纯制冷剂的冷凝器1′相同的换热表面。然而，应当指出的是，尽管本发明的双排冷凝器的设计尤其适用于冷凝制冷剂共混物，但其用途不限于此类热传递流体。此外，应当指出的是，图11所示设计具有一般性，可用于固定应用和移动应用中的任何空气-制冷剂冷凝器。

本发明的双排换热器包括用于流过热传递流体的前排装置、用于流过热传递流体的后排装置，以及连接前排装置和后排装置的导管部件。本发明的双排冷凝器中的前排装置可以包括前排或第一排，大致被示出为位于13。后排装置可以包括后排或第二排，大致被示出为位于14。导管部件可以包括收集器或如图11所示的导管7。后排14包括入口6和管程2。前排13包括入口15、第一管程或翅片管3、第一收集器或导管8、第二管程或翅片管4、第二收集器或导管9、第三管程5、以及出口10。导管7将第二排或后排与第一排或前排连接在一起，具体地讲，导管7将第二排的管程2与第一排的入口15连接在一起。前排和后排的管程包括入口和出口歧管，以及设置在歧管之间的多个通道(未示出)，这些通道是换热器领域中已知的，用于流过热传递流体。

本发明的双排冷凝器还包括空气引导装置，该装置用于引导空气以与热传递流体的流动逆流的方式流过整个前排装置和后排装置。空气引导装置可以是风扇，例如图12所示的风扇18，该图示出了汽车的前端保险杠，其具有本发明的双排冷凝器，该冷凝器替代如图7具体示出的现有技术的单排冷凝器。风扇可以安装在冷凝器和散热器16后面。可以使用多于一个的风扇。当车辆空转或当进入发动机室的空气流量不足时，风扇吸入必要的气流，以冷却冷凝器和散热器。箭头11-12示出了气流经过冷凝器的方向。

在图12的设计中，本发明的双排冷凝器安装在保险杠(散热器16前方的梯形部件15a)正下方，用于冷却发动机17。本发明的冷凝器的顶部在保险杠下方延伸，以便保险杠不对气流产生任何阻力。在该设计中，保险杠不会限制空气由外部(点a表示)向冷凝器后面的发动机室内部(b点)的流通。与图7中的设计相比，图12中所示设计在气流方面显示出显著的优点。本发明的双排设计将相同换热表面区域分为两排，从而允许气流高效地冷却冷凝器，并且不再受到上文所述保险杠阻力的妨碍。

本发明还提供了用于交换双排换热器中热传递流体的热量的方法。该方法包括下列步骤：使热传递流体在第一方向上流过后排装置；使热传递流体从后排装置经由导管部件流向前排装置；使热传递流体在大致平行于第一方向的第二方向上流过前排装置；并且引导空气以与第一和第二方向逆流的方式经过整个前排装置和后排装置。

该方法用于双排冷凝器时，将以冷凝器的操作为背景进行描述。如图11所示，热传递流体例如制冷剂共混物经过入口6进入冷凝器1，然后流过后排或第二排的第一管程2。制冷剂共混物经过导管7和入口15从第二排14的管程2流到第一排13的第一管程3，然后经过导管8从第一排13中的第一管程3流到第二管程4。制冷剂共混物然后经过导管9从第一排的管程4流到第三管程5。空气被风扇18以与制冷剂流向逆流的方式如图11所示沿箭头a-b方向吹出。

制冷剂共混物在入口6处进入冷凝器时是热的，然后由空气以逆流方式在第二排14中再冷却，空气已被该双排冷凝器的第一排13加热。再冷却的制冷剂共混物然后经过出口10离开冷凝器1。概括地讲，被引导流过本发明的整个双排冷凝器的空气在连续两排中加热，这是换热器的错流/逆流结构的结果。就换热效果而言，结果是导致最热的制冷剂共混物与最热的空气接触，最冷的制冷剂共混物与最冷的空气接触，从而与单排冷凝器内冷凝的纯制冷剂相比，降低了制冷剂共混物的平均温度与空气的平均温度之间的差值。

为制冷剂-空气换热器开发错流/逆流换热器这一概念也适用于蒸发器。就移动空调应用而言，大致在图13中19处提供了一种可能的设计。然而，应当指出的是，图11的设计具有一般性，可用于固定应用和移动应用中的任何空气-制冷剂蒸发器。并且尽管本发明的双排蒸发器的设计尤其适用于蒸发制冷剂共混物，但其用途不限于此类热传递流体。

本发明的双排蒸发器中的前排装置可以包括前排或第一排，如图13的管程20和21所示。本发明的双排蒸发器中的后排装置可以包括后排或第二排，如图13的管程22和23所示。就像如上所述冷凝器中的情况一样，前排和后排的管程包括入口和出口歧管，以及设置在歧管之间的多个通道(未示出)，这些通道是换热器领域中已知的，用于流过热传递流体。将后排连接到前排的导管部件可以包括收集器或如图13所示的导管26。前排也包括收集器，或导管24和收集器，或如图13所示方式连接的导管25。后排也包括收集器或导管27，以及出口导管28。

交换双排换热器中热传递流体的热量的方法在应用于双排蒸发器时，将如上所述参照双排蒸发器进行描述。在操作中，制冷剂共混物经过导管24进入蒸发器。然后，制冷剂向下流过膨胀箱20，并经过收集器25到达膨胀箱21，然后经过收集器26从膨胀箱21流到膨胀箱22，接着经过收集器27从膨胀箱22流到膨胀箱23，再经过收集器28离开蒸发器19。制冷剂经过将这两排连接在一起的导管从第一排流到第二排。空气按照图13中箭头所示方向从31流到32。在本发明的双排蒸发器中，进入24并在膨胀箱20和21中流动的最冷的制冷剂冷却已经在蒸发器的第一排上首先冷却的较冷的空气。热传递流体在第一排中沿着与流体经过第一排的流动方向大致相反的方向流动。

如上文图4所示，制冷剂共混物的温度滑移可降低温差ΔT_w-x＝Y_w-T_x，从而在气流与制冷剂共混物流按逆流设计组织的情况下限制换热产生的熵。温差ΔT_y-z＝T_y-T_z的计算方式类似于T_x和T_w，即，一个是使用制冷剂的焓和熵，另一个是使用空气的焓和熵。由于图4所示冷凝阶段D-F为恒温，不具有温度滑移，因此对于相同的换热表面，ΔT_y-z大于ΔT_w-x。如果换热器的设计采用如图11和13所示的本发明错流/逆流设计，那么制冷剂共混物冷凝过程中的温度滑移会产生能量增益。

实施例1

构造了具有冷凝器、压缩机和热膨胀装置的移动空调设备。对两类蒸发器进行了测试，一类是简易蒸发器，一类是根据本发明改进的蒸发器。在环境舱内组装空调系统，并在下列条件下进行测试：环境温度30℃，计算车速36km/hr，压缩机转速2000rpm，蒸发器上的空气流速380m³/hr。对95重量％1，1，1，2，3-五氟丙烯(HFC-1225ye-Z)和5重量％二氟甲烷(HFC-32)构成的、温度滑移为约4-5℃的混合物进行了测试。对系统的冷却容量(W)和能量效率(COP)进行了测量。结果示于下表1中。

表1

	容量 (W)	Δ容量 改进/简易(％)	COP	ΔCOP 改进/简易(％)
					HFC-1225ve/HFC-32 (95/5重量％)简易	3300	9.1％	1.60	11.3％
HFC-1225ye/HFC-32 (95/5重量％)改进	3600		1.75

结果显示，与纯制冷剂R134a相比，制冷剂HFC-1225ye-Z/HFC-32的温度滑移越大，获得的冷却容量和能量效率增益就越高。

实施例2

构造了具有蒸发器、压缩机和热膨胀装置的移动空调设备。对两类冷凝器进行了测试，一类是简易冷凝器，一类是根据本发明改进的冷凝器。在环境舱内组装空调系统，并在下列条件下进行测试：环境温度30℃，计算车速25km/hr，压缩机转速2000rpm，蒸发器上的空气流速250m³/hr。95重量％1，1，1，2，3-五氟丙烯(HFC-1225ye-Z)和5重量％二氟甲烷(HFC-32)构成的、温度滑移为约4-5℃的混合物。对系统的冷却容量(W)和能量效率(COP)进行了测量。结果示于下表2中。

表2

	容量 (W)	Δ容量 改进/简易(％)	COP	ΔCOP 改进/简易(％)
					HFC-1225ye/HFC-32 (95/5重量％)简易	2480	1.6％	1.75	18.9％
HFC-1225ye/HFC-32 (95/5重量％)改进	2520		1.96

结果显示，将冷凝器的构型改为错流/逆流构型后，可以提高冷却容量，并显著提高能量效率。

Claims (1)

1.汽车用空调系统，所述空调系统包括：

(a)保险杠；

(b)设置在所述保险杠下方的双排冷凝器，所述双排冷凝器包括：

(i)入口，

(ii)连接到所述入口的第一排，所述第一排包括设置成与所述入口流体连通的第一管程，

(iii)连接到所述第一排的第二排，所述第二排包括至少一个第二管程和设置成与所述第二管程流体连通的出口，以及

(iv)将所述第一排连接到所述第二排的导管。

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