CN101713595B - 包含组合式冷凝器和蒸发器的系统以及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于冷却和/或加热的系统，其包括致冷剂回路(2)，所述致冷剂回路(2)具有至少一个压缩器(3)、至少一个冷凝器(4)、至少一个蒸发器(7)以及至少一个膨胀装置(6)。本发明的特征在于，所述蒸发器和冷凝器进行组合/集成以形成单个共用单元(16)，并且在所述单个共用单元(16)中包括内部换热器(19)。

Description

包含组合式冷凝器和蒸发器的系统以及装置
技术领域
本发明大体涉及一种压缩器系统，其具有用于冷却和/或加热目的的封闭致冷剂回路，所述致冷剂回路至少包括冷凝器和蒸发器。本发明特别是涉及一种用于冷却和/或加热车辆内部(尤其是带有可倾斜座舱的商用/重型车辆的驾驶室/驾驶空间)的系统和装置。更具体地，本发明涉及包含至少一个另外辅助低压回路的压缩器系统，所述另外辅助低压回路利用水和或/乙二醇或其他适合传递冷热的介质来传递冷热。
背景技术
公知地，机动车中的空调系统通常包括位于机动车前部或前部附近的用空气冷却的冷凝器、位于机动车驾驶室某一位置(例如位于仪表板之中或之下)处的蒸发器、以及将这些元件连结到密封受压系统(其通常包括膨胀装置、干滤器或蓄积器、和压缩器)上的管路或软管。许多的不同气体可用作致冷剂。在机动车的场合当中，R134a通常可用作致冷剂。
二氧化碳(CO2，被称为R744)最近越来越多地开始用作致冷剂。二氧化碳是已知可用的、无害、不易燃、不易爆的气体，并且即使向外泄漏到大气中，也很少或者几乎不产生危害。CO2用作致冷剂的不利之处在于，压缩器系统必须在比通常情况要高的压强下进行操作，以在冷却系统中获得足够的效率。但是，高的压强增加了从软管、管线和连接部发生泄漏的风险。由于总会通过橡胶材料发生一定量的泄漏，所以软管做不到完全密封。
在具有可倾斜驾驶室的机动车内，泄漏问题尤其明显。这种机动车需要较长的软管/管线和/或更多的连接件，以使得有可能将驾驶室中的冷却元件连接到通常位于机动车的发动机空间中的冷却系统其他部件上，同时还使得驾驶室能够倾斜。如果在处于高压下的致冷剂侧上使用较长的软管、管线以及多个连接件，则有发生持续泄漏的风险。在这样的场合下，优选地(但不是异乎寻常地)使用另外的冷却环路(即所谓的辅助环路)，即使用由水和/或乙二醇作为冷却传递介质的另外低压冷却回路，以通过基于液体的换热器而连接到压缩器系统的蒸发器上。该另外低压冷却回路使用了明显低的压强，这样的事实使得降低了发生泄漏的风险。
因而，通常为水的液体在致冷剂回路的蒸发器中得到冷却，并被泵送到驾驶室以及位于其中的冷却元件，该冷却元件本身又通过风扇冷却了驾驶室中的空气。该液体需要将温度维持在刚好为0度以上。如果温度低于0度，则在驾驶室的冷却元件中形成的冷凝物将会结冰，进而损害冷却系统的功能。低温进而从含有CO2或其他适当致冷剂的主致冷剂回路中交换到在较低压强下含有不同流体的回路中，进而降低了泄漏风险。
如果使用了易燃致冷剂，则使用辅助环路具有有益的效果，因为在驾驶室中不利地会具有发生这类物质泄漏的风险。这类易燃致冷剂的例子是丙烷和R152a，尽管其具有易燃性但仍然使用，因为与例如通常使用的R134a相比，它们会产生更高的效率。
在工业、轮船和其他对冷却水的使用不受限的场合当中，致冷剂回路的冷凝器也通常由水来冷却。在机动车中这并不容易实现，因为所具有的水只是发动机的冷却水，其通常会维持在非常高的温度下以获得最优的效率。在机动车的压缩器系统中使用CO2作为致冷剂来获得足够的效率，需要在致冷剂回路的冷热两侧之间进行的内部热交换。
因此，较新颖的致冷剂有时候需要较高的工作压力，且一些致冷剂如前所述是易燃的，但是会使得冷却系统产生更好的性能、效率以及改进的环境性能。在机动车具有倾斜驾驶室的情况下，承受高压或易燃的致冷剂将变得极端困难。发生泄漏的风险增加，且出于安全、质量和环境的原因，最好减少从软管和连接件处发生泄漏的风险。因此，一直在努力使得软管的长度和连接件(包括在主致冷剂回路中)的数量最小化。
在现有技术中已经有用于冷却可倾斜驾驶室的各种系统和技术方案。
专利文献WO2005/120868(申请人是Scania)描述了一种常规的空调系统，其适于具有可倾斜的驾驶室的机动车。其目的是解决在高压下的二氧化碳以及使用橡胶管线所带来的问题。所述系统位于机动车的底盘上，且冷空气或热空气供应到驾驶室。没有液体或冷却介质被分配到驾驶室，且致冷剂回路的管线系统的长度不是比较短。
专利文献US6185957(申请人是Modine Manufacturing Company)涉及一种使用二氧化碳的冷却装置，其具有蒸发器以及相组合的内部换热器。蒸发器和冷凝器两者都是用空气冷却的，且构成了相互分隔的单元。该管线系统没有实现最小化。
现有技术没有揭示如何有效地减少在压缩器系统的致冷剂回路中发生泄漏的风险。也没有教导如何高效率地使得压缩器系统适合于工作压力较高的致冷剂。更没有在先教导如何使得压缩器系统及其组成部件变得不那么笨重、更低廉地制造、以及容易安装。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，且提供一种可有效用于冷却和/或加热的系统和装置，其能够减少致冷剂发生泄漏的风险。
本发明的另外目的是提供一种装置，其适合于使用具有较高工作压力的致冷剂并能产生好的效率。
本发明的另外目的是提供一种系统和装置，其结构紧凑，使得管线和软管的长度最小，以及使得连接件的数量最少。
本发明的另外目的是使得压缩器系统中的分隔部件的数量最少，并提出一种简单的紧凑单元，其容易装配到机动车内，并尽可能地缩短制造过程中的装配时间。
本发明的另一目的是使得从单个紧凑单元中更加容易地获得冷却水和加热水。
根据本发明的上述以及另外目的，可通过如权利要求1和16中所述的特征来实现。
具体而言，本发明包括致冷剂回路的蒸发器和冷凝器，其被组合(combined)/集成(integrated)以形成且被制造成彼此集成的单元，优选为板式换热器，其中交替的板大体形成冷却水的通道，且其他的板形成致冷剂的通道。至少一个内部换热器，即在制冷剂回路的高低压两侧进行热交换的换热器，被集成在组合单元中。这意味着使用较少的连接件，消除了一部分软管，同时使得管线较短。紧凑的制冷剂回路也具有例如压降较低、效率更高等优点。表现为固定收缩部的膨胀装置，例如可通过模压被设置在所述单元的一个或多个板中，以减少可能发生泄漏的连接件和管线/软管的数量。这种组合单元也可设置有管连接件，以使得可调节的膨胀阀通过螺纹被紧紧地拧到组合单元的外侧上。尽可能理想地设置在换热器的板之间的流动，这样一个事实使得尽可能地实现制冷剂回路的冷热两侧之间的内部热交换，其中在低压侧上具有局部汽化、完全汽化或过热的气体。以目前分离系统中常见的方式，干滤器被装配在冷凝器之中或之后，并且如果改为使用蓄积器，则其可位于蒸发器之中或之后。
蒸发器由水或者乙二醇进行加热(所述水或者乙二醇进而得到冷却)，且之后被泵送到驾驶室和位于其中的冷却元件，因此驾驶室中的空气得到冷却。或者通过来自发动机的较冷的水/乙二醇混合物，或者利用已被用于冷却驾驶室的冷却元件的液体，来冷却冷凝器。当乙二醇混合物已被冷凝器所加热时，位于机动车的前部分处的水冷却器有必要来降低乙二醇混合物的温度。
通过以下的本发明详细描述、附图以及权利要求，将具体描述本发明的进一步特征和优点。
附图说明
参考附图来具体说明多个优选实施例，从而具体详细说明本发明。
图1示意性地显示根据本发明的压缩器系统，其具有组合为相互集成共用单元的蒸发器和冷凝器。
图2以立体图的方式显示了根据图1的集成式单元，其表现为板式换热器。
图3示意性地显示根据本发明、带有内部换热器的组合单元的第一实施例。
图4示意性地显示根据本发明、带有另一形式的内部换热器的组合单元的第二实施例。
图5示意性地显示根据本发明的组合内部换热器的第三实施例。
图6显示了穿过根据本发明的组合单元的示意性剖视图，其中示出了根据图5的内部换热器。
图7显示了穿过根据本发明的组合单元的示意性剖视图，其中所集成的收缩部被模压在所述单元的一个或多个板中。
图8以立体图的方式显示了具有集成的收缩部的组合单元，即该组合单元不具有用于膨胀装置的外部管连接件。
图9以立体图的方式显示了同时具有集成蓄积器和集成收缩部的组合单元。
图10以立体图的形式显示了用于外部膨胀阀和集成干滤器的组合单元。
具体实施方式
图1显示了根据本发明的压缩器系统1。压缩器系统1在此包括三个不同回路。第一回路，即主致冷剂回路2，包括压缩器3、冷凝器4、干滤器5、膨胀装置6和蒸发器7。这些元件通过管线系统彼此相连，且整个回路2密闭性密封，且包含以及利用致冷剂(例如CO2)在压力作用下进行操作。
膨胀装置6采用可调节的膨胀阀或固定的收缩部(constriction)。在使用膨胀阀的压缩器系统中，重要的是膨胀阀被恒定地供应流体。因此，干滤器5位于膨胀阀6的上游，且在其容器(未示)的底部具有出口。这样确保了膨胀阀6总是供应有流体，因而能够正确地操作。
第二回路8，即冷却回路，包括第一低压泵9、第一换热器10以及低压(例如用空气冷却的)散热器11。换热器10与主致冷剂回路的冷凝器4相协作。第二回路8包含有水或者水与乙二醇的混合物。泵9在回路8中提供流动，以使得水在换热器10中由冷凝器4所加热且供应到散热器11，其中热量在散热器11处通过空气流动被发散到环境中(也可能借助风扇)。散热器11可位于机动车的靠前位置，其中当机动车在运行中时空气会流经此处。
第三回路12，即冷却回路，包括第二低压泵13、冷却元件14和第二换热器15。换热器15与主致冷剂回路的蒸发器7相协作。回路12包含有水或者水与乙二醇的混合物。泵13在回路12中提供流动，以使得水在换热器15中被致冷剂回路的蒸发器7所冷却，之后被引导向冷却元件14，其中在此例如借助未示的风扇来冷却流经的空气。冷却元件14可位于商务机动车的驾驶空间/驾驶室中的适当位置处，以使得保持驾驶室内的空气凉爽，而不管机动车外部环境的温度如何。
根据本发明，水冷式冷凝器4和水冷式蒸发器7被组合成单一的单元，即冷凝器4和蒸发器7连同各个换热器10、15一起被集成在单个的单元16中。集成单元16由虚线表示。
图2显示根据本发明的集成单元16的视图，其具有组合/集成的蒸发器7和冷凝器4。该单元16表现为大体矩形的板式换热器，其设置有很多个板17，所述板17构成了多个相互划分(delineated)的管道。单元16具有用于连接外部元件和回路用的管路连接件18a-18h，其构成了图1所示的系统的一部分。致冷剂和冷却剂通过这些管路连接件18a-18h而流入和流出单元16，其中管路连接件18a-18h中的一部分管路连接件18g、18h被布置成用于干滤器5和/或膨胀阀6的外部装配。集成单元16在现实当中可包括多于在此所描述的板17，且被构造成使得：在致冷剂从单元16导出之前，致冷剂次数非常多地往复流经各个冷却剂的附近，以使得系统1的效率尽可能地高。
图3显示了根据本发明图1的系统1，但是其中的内部换热器19适合于增加系统1的效率，以及使得二氧化碳有可能以及更容易地用作致冷剂。大体上，内部换热器19适合于在致冷剂回路2的冷热两侧之间进行热交换。内部换热器19的冷却部分回路20因此连接在蒸发器7的出口18e和压缩器系统3的入口(压缩器系统的抽吸侧)之间，以及内部换热器19的温热另一部分回路21被连接在冷凝器4的出口18h和干滤器5的入口之间。结果使得，分别从冷凝器4和蒸发器7流出的致冷剂之间的热交换，即来自冷凝器4的致冷剂中的剩余热，加热了来自蒸发器7的致冷剂；换句话说，被引导向压缩器3的致冷剂变得更热，而被引导向干滤器5的致冷剂变得更冷。
图4显示了内部换热器19的可选实施例。在此，内部换热器的冷却部分回路20以和图3相同的方式进行连接，但是其温热部分回路21相代替地被连接在第一泵9的出口和第一换热器10的入口18b之间。在进入第一换热器10之前，来自低压散热器11的冷却剂因此得到进一步冷却，其自身又冷却着冷凝器4。被引到向压缩器3的致冷剂类似地得到加热。从而，实现了更好的效率。
图5显示了内部换热器19的进一步实施例。图5显示了根据图3和4相组合并且同时使用的内部换热器19。根据该实施例的内部换热器19具有冷却部分回路20以及串联布置的两个温热部分回路22、23。冷却部分回路20如图3所示地进行连接。第一温热部分回路22连接在冷凝器4的出口18h和干滤器5的入口。第二温热部分回路23被连接在第二回路8的泵9和第二回路8的换热器10的入口之间。这种组合式的内部换热器19实现了系统效率的进一步提高。
图6显示根据本发明的压缩器系统1，更具体地显示了穿过集成单元16(其表现为板式换热器)的剖视图。图6显示了根据图5所示的内部换热器19在现实当中看起来的样子。许多水平布置板17引导着沿箭头所示方向流经所述单元的致冷剂流动和两部分冷却剂流动。冷凝器4和蒸发器7由分隔壁24实现彼此之间的划分(delineated)。致冷剂和两部分的冷却剂由此流经以传统方式形成在板17之间的管路(以及在某些情况下会流经板17)。各部分流体非常彼此靠近地流动，但是由板17的材料所分隔。因此，流体沿着与板17的方位大体相同的方向进行流动，且在经过板17的壁的各个流体之间发生热交换。因此，流动受到板17如何进行构造/模压(emboss)的影响，其中包括了可能的大量变型。冷凝器4和蒸发器7之间的分隔壁24可以传导热/冷，因此构成了内部换热器19，其使得在来自散热器11的冷却剂和位于蒸发器7中的致冷剂之间发生热交换。
可构造一个或多个板17，以使得允许蒸发器7中的致冷剂经管路25从蒸发器7到分隔壁24地流过冷凝器4。通过两个或多个板17a-c来形成管路25，其将致冷剂引导到形成为冷凝器4一部分的各个管路之间。相应地，实现了根据本发明图3的内部换热。
冷凝器4和蒸发器7之间的分隔壁24也可用是隔热的；在此不需要内部换热器，即如图4所示意性显示。
图7显示根据本发明的压缩器系统1，但是固定收缩部27被集成在组合单元中，以取代外部装配的可调节膨胀阀。收缩部27可模压在组合单元的一个或多个板件17b-c中，并使得所述系统的致冷剂回路中的压力降低。上述部件的集成化降低了可能发生泄漏的连接件和管线/软管的数量。
液体大体上是不可收缩的，从而能够防止液/气混合物达到压缩器3并损害其功能；容器，即所谓的蓄积器28，是位于蒸发器7和压缩器3之间，即压缩器3的上游。出口是通过蓄积器28的顶部，这意味着其总是传输气体而不会传输液体。蓄积器28可以包括过滤和干燥装置(未示)。收缩部27可采取短管(其具有小的、专用以及恰当限定的内径，未示)的形式。
图8显示了根据图7的本发明的单元16，其中集成有膨胀装置，即收缩部27(其相应地不可视)。因此，根据图2的外部管连接件18g、18h无需连接着外部膨胀阀。
图9显示根据图5的本发明的单元16。膨胀装置/收缩部以及干滤器/蓄积器28被集成在组合单元16中，因此除了必须连接到压缩器3上的蓄积器28的出口之外，对于这些组件而言不需要单独的管连接件。
图10显示了根据本发明的单元16的一个实施例，其具有用于膨胀装置、膨胀阀(未示)的连接件18g、18h以及相集成的干滤器5。在有些情况下，能够使用可调节的外膨胀阀是优选的，以使得系统能够为了优化效率而得到简化。
已经参考多个不同的优选实施例描述了本发明。但是，本发明并不限于这些实施例，其仅仅是起到示例的目的。本发明的其他变型也完全在本发明的保护范围内。因此，例如组合单元不必采用板式换热器，而可以采用其他的换热器技术。组合单元优选地与压缩器直接相邻地装配或与之集成为一体，以进一步使软管和连接件的数量最小化。结果使得，所述单元可在一端设置有皮带轮，且在另一端具有热水或冷水用的出口。因此，可以理解根据本发明的系统也能够例如用于加热例如机动车驾驶室内的空气。

Claims (20)

1.一种用于冷却和/或加热的系统，其包括致冷剂回路（2），所述致冷剂回路（2）具有至少一个压缩器（3）、至少一个冷凝器（4）、至少一个蒸发器（7）以及至少一个膨胀装置（6），其中所述蒸发器（7）和冷凝器（4）被组合/集成以形成单个共用单元（16），其特征在于：在所述共用单元（16）中集成有至少一个内部换热器（19），并且所述共用单元（16）的类型是板式换热器。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述蒸发器（7）是由液体进行冷却，且适合于在另外辅助回路（12）中冷却液体。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于：
所述冷凝器（4）是由液体进行冷却，且适合于在另外辅助回路（8）中加热液体。
4.如前述权利要求1或2所述的系统，其特征在于：
所述内部换热器（19）适合于在致冷剂回路（2）的冷热两侧之间进行换热。
5.如前述权利要求1或2所述的系统，其特征在于：
所述内部换热器（19）的冷却部分回路（20）被连接在蒸发器（7）的出口（18e）和压缩器（3）的入口之间，并且所述内部换热器（19）的温热部分回路（21）被连接在冷凝器（4）的出口（18h）和干滤器（5）的入口之间。
6.如前述权利要求1或2所述的系统，其特征在于：
所述内部换热器（19）适合于在致冷剂回路（2）的冷侧和用来冷却冷凝器（4）的冷却剂之间进行换热。
7.如前述权利要求1或2所述的系统，其特征在于：
所述内部换热器（19）的冷却部分回路（20）被连接在蒸发器（7）的出口（18e）和压缩器（3）的入口之间，并且所述内部换热器的温热部分回路（21）被连接在第一泵（9）的出口和第一换热器（10）的入口（18b）之间。
8.如前述权利要求1或2所述的系统，其特征在于：
所述内部换热器（19）适合于同时在致冷剂回路（2）的冷热两侧之间以及在致冷剂回路（2）的冷侧和用来冷却冷凝器（4）的冷却剂之间进行换热。
9.如前述权利要求1或2所述的系统，其特征在于：
所述膨胀装置表现为收缩部（27），且被集成在共用单元（16）中。
10.如前述权利要求9所述的系统，其特征在于：
所述收缩部（27）被构造或模压在共用单元（16）。
11.如前述权利要求9所述的系统，其特征在于：
所述收缩部（27）被布置在共用单元（16）的高低压两侧之间的分隔壁（24）中。
12.如前述权利要求1或2所述的系统，其特征在于：
所述膨胀装置是采取外部装配的可调节膨胀阀的形式。
13.如前述权利要求1或2所述的系统，其特征在于：
一干滤器/蓄积器（5，28）被集成在所述共用单元（16）中。
14.一种用于冷却和/或加热的装置，其包括至少一个冷凝器（4）和至少一个蒸发器（7），所述蒸发器（7）和冷凝器（4）被组合/集成以形成单个的共用单元（16），其特征在于：所述被集成的共用单元（16）包括内部换热器，并且所述共用单元（16）的类型是板式换热器。
15.如权利要求14所述的装置，其特征在于：
所述内部换热器（19）适合于在致冷剂回路的冷热两侧之间进行换热。
16.如权利要求14或15所述的装置，其特征在于：
所述内部换热器（19）的冷却部分回路（20）被连接在蒸发器（7）的出口（18e）和压缩器（3）的入口之间，并且所述内部换热器（19）的温热部分回路（21）被连接在冷凝器（4）的出口（18h）和干滤器（5）的入口之间。
17.如权利要求14或15所述的装置，其特征在于：
所述内部换热器（19）适合于在致冷剂回路的冷侧和用来冷却冷凝器（4）的冷却剂之间进行换热。
18.如权利要求14或15所述的装置，其特征在于：
所述内部换热器（19）的冷却部分回路（20）被连接在蒸发器（7）的出口（18e）和压缩器（3）的入口之间，并且所述内部换热器（19）的温热部分回路（21）被连接在第一泵（9）的出口和第一换热器（10）的入口（18b）之间。
19.如权利要求14或15所述的装置，其特征在于：
所述内部换热器（19）适合于同时在致冷剂回路的冷热两侧之间以及在致冷剂回路的冷侧和用来冷却冷凝器（4）的冷却剂之间进行换热。
20.如权利要求14或15所述的装置，其特征在于：
所述共用单元（16）包括收缩部（27）。
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