CN101742893B - 具有多个分区结构的集成混合热交换器 - Google Patents

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Abstract

一种具有多个分区结构的集成混合热交换器，可包括：第一散热器和第二散热器，和/或至少一个设置在第一散热器和第二散热器之间的冷却液旁路构件，该冷却液旁路构件连接第一散热器的一个端部和第二散热器的另一端部，从而使第一散热器和第二散热器之间的液体相流通。

Description

具有多个分区结构的集成混合热交换器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2008年11月21日提交的韩国专利申请第10-2008-0115983号的优先权，该申请的全部内容通过引用结合于此用于所有目的。
技术领域
本发明公开的内容涉及一种混合动力车辆的集成混合热交换器。更具体地，其涉及一种具有多个分区结构(multi-sectional structure)的集成混合热交换器，其中电力元件冷却系统和内燃机冷却系统被集成于单一冷却系统中并且设置有用于防止热冲击和提供热阻的散热器从而改进冷却效率和耐久性。
背景技术
一般地，混合动力车辆是一种配备有内燃机和电动机的车辆，从而这种车辆由发动机和电动机中的一者或者两者驱动。
所述的混合动力车辆在起始驾驶阶段或者在巡航驾驶阶段由电动机驱动，而在上坡驾驶阶段或者在电池电量耗尽时由内燃机驱动，从而提高了燃料效率。
此处，因为包括电动机的电力元件在工作过程中产生热量，因此需要提供防止所述元件的温度增大的冷却系统，以保持所述元件的输入和输出特性处于最佳的状态。
尤其是对于电池来说，需要保持最佳的温度，从而将总体的充放电效率保持在最理想的值。
因此，在电池的充电和放电的过程中所产生的热量使用冷却系统被冷却至最佳温度。
例如，当混合动力车辆由电动机驱动的时候，热量由电流在换流器中的状态转换(phase shift)(AC到DC)而产生，并且热量还在电动机和发电机的工作过程中产生。为了冷却这些电力元件，所述的混合动力车辆包括电力元件冷却系统，其中冷却水在电动机工作的过程中循环流过电泵→换流器→换流器储水箱→散热器。
因此，混合冷却系统由两个冷却系统所运行，这两个系统包括电力元件冷却系统和内燃机冷却系统。
在这个混合冷却系统中，集成散热器的内部压力可以根据内燃机和电动机的工作情况、水泵的流速以及冷却液的温度而彼此不同，其中单独的散热器液压地隔离于彼此的液体流通。在这种情况下，即使总压力是相同的，动压也可以彼此不同。
最近，提出了一种集成冷却系统，其中电力元件冷却系统和内燃机冷却系统被集成于单一冷却系统中，从而提高了冷却效率、改进了布置设计、减少了元件数量并且降低了制造成本。
例如，日本专利公布文件No.1998-259721和美国专利No.6,124,644公开了冷却系统，其中现有的内燃机散热器被分成内燃机的散热器和电力元件的散热器。
然而，在日本专利公布文件No.1998-259721中公开的冷却系统和在美国专利No.6,124,644中公开的冷却系统的情况下，具有较高工作温度(大约112℃)的内燃机的散热器和具有较低工作温度(大约80℃)的电力元件的散热器彼此直接接触，从而热量被连续地传导至隔板和芯体部分。结果，电力元件的散热器的温度升高，从而在电力元件的工作过程中降低了电力元件的效率且减少输出功率。
此外，内燃机的工作在零下温度(例如-20℃)下的冷启动的过程中停止，而只有电力系统工作。在这种情况下，如果在一定温度(例如60℃)下通过电力元件的工作所加热的冷却液被突然供给到电力元件的散热器中，在较低温度侧的收缩力和在较高温度侧的膨胀力同时在隔板部分、芯体部分以及芯体部分和集流管(header)之间的结合部分产生，从而导致热冲击。
如果这种状态持续较长时间，其可能导致由于直接接触部分处的疲劳而引起的渗漏。
在发明背景部分公开的信息仅仅是为了提高对本发明的一般背景的了解，并不能被拿来作为确认或任何形式的暗示这些信息已经构成本领域技术人员所知道的现有技术。
发明内容
本发明的各个方面涉及提供一种具有多个分区结构的集成混合热交换器，其中电力元件的散热器和内燃机的散热器被集成于单一结构中，其中所述的两个散热器的每一者均具有独立的冷却液流动结构，在该结构中的液体的流动被所述的两个散热器之间的压力差所减小，从而内燃机的散热器中的冷却液和电力元件的散热器中的冷却液彼此未发生混合；而具有连接结构的辅助散热器用以防止热冲击以及提供热阻，其中所述连接结构被用作电力元件的散热器和内燃机的散热器之间的缓冲器。因此，能够有效地减小热冲击并且提高对热量传导的热阻，从而改进了冷却效率和耐久性。
在一个方面中，本发明提供一种集成混合热交换器，包括：第一散热器和第二散热器，以及至少一个设置在第一和第二散热器之间的冷却液旁路构件，该冷却液旁路构件连接第一散热器的一个端部和第二散热器的另一端部，从而使第一散热器和第二散热器之间的液体相流通。
所述的冷却液旁路构件和第一及第二散热器的纵轴可被基本上平行地设置。
所述的第一及第二散热器和所述的冷却液旁路构件可集成于单一结构中。
所述的集成混合热交换器可进一步包括：第一散热器水箱，其同时连接于第一散热器的一个端部和第二散热器的一个端部上；第二散热器水箱，其同时连接于第一散热器和第二散热器另外的端部上；第一和第二导流板(baffle)，其安装在第一散热器水箱中，其中第一导流板将第一散热器水箱分成上部空间和下部空间，从而形成第一和第二导流板之间的第一中间空间，而第二导流板包括旁路孔，其中第一散热器水箱的上部空间连接于第一散热器以使液体相流通，第一散热器水箱的下部空间连接于第二散热器以使液体相流通；第三和第四导流板，其安装于第二散热器水箱中，其中第三导流板将第二散热器水箱分成上部空间和下部空间，从而形成第三和第四导流板之间的第二中间空间，第四导流板包括旁路孔，其中第二散热器水箱的上部空间连接于第一散热器以使液体相流通，第二散热器水箱的下部空间连接于第二散热器以使液体相流通，其中第一中间空间和第二中间空间通过冷却液旁路构件相联以使液体相流通。
第一旁路孔可开向第一散热器水箱的上部空间，第二旁路孔可开向第二散热器水箱的下部空间。
第一旁路孔可开向第一散热器水箱的下部空间，第二旁路孔可开向第二散热器水箱的上部空间。
第一散热器水箱的上部和下部空间可分别包括冷却液入口，第二散热器水箱的上部和下部空间分别包括冷却液出口。
第一散热器的冷却液出口可设置在低于其冷却液入口的位置，第二散热器的冷却液出口可设置在低于其冷却液入口的位置。
第一散热器、第二散热器和冷却液旁路构件中的芯体的厚度可彼此各不相同，其中冷却液旁路构件中的芯体的厚度可小于第一和第二散热器中的芯体的厚度。
第一散热器可被构造成用于冷却内燃机，第二散热器可被构造成用于冷却电力元件。
需明确的是，术语“车辆”或“车辆的”或其它在本文中使用的类似的术语包括所有的一般的机动车辆，例如：乘用汽车，包括运动型车辆(SUV)，公共汽车，卡车，各种商务车辆；船只，包括各种小船和舰只；航空器；以及类似的交通工具，并且包括混合动力车辆、电动车、插入式混合动力电车、氢动力车辆和其它可选的燃料(例如从石油之外的其它原料而获得的燃料)车辆。如本文所述，混合动力车辆是一种具有两个或更多的动力来源的车辆，例如汽油动力以及电动力的车辆。
本发明的方法和设备具有其他特征和优点，根据附图及后面的具体实施方式这些特征和优点将变得明朗，或者说这些特征和优点在附图及后面的具体实施方式中进行了更具体的说明，附图合并于此，与具体实施方式一起用于解释本发明的特定原理。
附图说明
图1是显示了根据本发明的示例性实施例的具有多个分区结构的集成混合热交换器的原理图。
图2是显示了在冷启动过程中根据本发明的示例性实施例的具有多个分区结构的集成混合热交换器中的冷却液流动的原理图。
图3是显示了在高速驱动过程中或者在上坡驱动的过程中在根据本发明的示例性实施例的具有多个分区结构的集成混合热交换器中的冷却液流动的原理图。
应当明确，附图并不需要按比例，该附图是说明本发明的基本原理的各个特征的某种简化表示。在本文中所公开的本发明的具体设计特征，包括例如具体的尺寸、定向、位置和外形将部分地由具体的意图的应用和使用环境所决定。
在图中，附图标记在附图的各个图中表示本发明的相同或等效部分。
具体实施方式
现将详细参考本发明的各个实施例，其实例在附图中表示并且下文中进行描述。虽然本发明将结合示例性实施例进行描述，但是应当理解，本说明书并非旨在将本发明限制于那些示例性实施例。相反地，本发明旨在不仅覆盖这些示例性实施例，而且还覆盖可被包括于如所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内的各种选择、修改、等效以及其它实施例。
图1是显示了根据本发明的各个实施例的具有多个分区结构的集成混合热交换器的原理图。
如图1所示，在包括例如电力元件冷却系统和内燃机冷却系统的两个冷却系统的混合冷却系统中，具有多个分区结构的集成混合热交换器通过将电力元件的散热器11和内燃机的散热器10结合成单一结构以及通过包括用于防止热冲击及提供热阻的辅助散热器18而形成，其中散热器10和11的每一者均具有独立的冷却液流动结构，辅助散热器18在分割散热器10和11的同时连接于散热器10和11上并且作为散热器10和11之间的缓冲器。因此，本发明的具有多个分区结构的集成混合热交换器能够有效地减小电力元件冷却系统的工作过程中的热冲击并且减小散热器之间的热传导，从而改进总体的冷却效率和耐久性。
为了这个目的，内燃机的散热器10和电力元件的散热器11被设置成上下平行并且被结合成单一结构，两个散热器中的每一者具有独立的冷却液流动通路。散热器水箱12a和12b分别连接于内燃机的散热器10和电力元件的散热器11的两侧。特别地，彼此间隔一定距离的一对导流板13被安装在两个散热器水箱12a和12b的每一者中，从而每一散热器水箱的内部空间被分成上部空间和下部空间。
结果，在散热器水箱12a和12b的每一者中的上部空间连接于内燃机的散热器10，而下部空间连接于电力元件的散热器11。
内燃机的冷却液入口14和内燃机的冷却液出口16被安装在散热器水箱12a和12b的每一者的上部空间中从而供给和排出从其中通过的冷却液，而电力元件的冷却液入口15和电力元件的冷却液出口17被安装在散热器水箱12a和12b的每一者的下部空间中。
在此，优选地是冷却液入口14和15被设置在高度大于冷却液出口16和17的位置上。
通过使用冷却液入口14和15以及冷却液出口16和17，能够构建内燃机和电力元件的两种冷却回路。
例如，内燃机的冷却回路可包括内燃机的冷却液出口16→发动机水泵22→内燃机23→内燃机的冷却液入口14。电力元件的冷却回路可包括电力元件的冷却液出口17→电水泵25→换流器26→储水箱24b→ISG(Integrated Starter Generator集成一体化起动/发电机)27→电力元件的冷却液入口15。
从安装在散热器水箱12a的顶部的接头20的一侧延伸的线路被连接至储水箱24a。
此外，内燃机的散热器10、电力元件的散热器11和辅助散热器18中的芯体的厚度根据所需的热容量而彼此各不相同，所述的厚度将在下文中描述。
例如，在电力元件具有大容量的情况下，在电力元件的散热器11中使用的芯体的厚度可被设置为适于大容量热交换的厚度。
特别地，本发明提供一种结构，其中限定分离空间的辅助散热器18被设置在内燃机的散热器10和电力元件的散热器11之间，从而辅助散热器18防止热冲击且提供热阻。
为了这个目的，辅助散热器18被平行地设置在内燃机的散热器10和电力元件的散热器11之间，所述的两个散热器上下平行地设置，在这种情况下，辅助散热器18被连接至由散热器水箱12a和12b的每一者中的那对导流板13所限定的空间中。
此外，旁路孔19形成于散热器水箱12a和12b的每一者中的那对导流板13的一个上。辅助散热器18的一个端部连接于电力元件的散热器11的水箱上，而辅助散热器18的另一端部连接于内燃机的散热器10的水箱上。
换言之，对应于辅助散热器18的附图的右侧的前侧连接于电力元件的散热器11的冷却液入口15，而对应于附图的左侧的后侧连接于内燃机的散热器10的冷却液出口16。
因此，在电力元件的散热器11中流动的冷却液部分可被供给至辅助散热器18，或者从内燃机的散热器10排出的极少量的冷却液可不时地被供给至辅助散热器18。
以这种方式，因为辅助散热器被设置在两个散热器之间而被连接到这两个散热器上，从而其容置一部分冷却液流，并且与此同时，防止这两个散热器之间的直接接触，所以能够减小施加到热交换器上的热冲击并且还减小热交换器之间的热传导。
根据具有多个分区结构的集成混合热交换器中的工作状态的冷却液流动将在下文中描述。
图2是显示根据本发明的各个实施例的具有多个分区结构的集成混合热交换器中的电力元件的工作过程中的冷却液流动的原理图。
如图2所示，在混合动力车辆的情况下，电力系统在启动的过程中受到驱动，但是内燃机未受到驱动以提高燃料效率。
在冷启动过程中，通过流经换流器26而被加热的冷却液在电水泵25的作用下被引入到电力元件的散热器11中。
在此时，电力元件冷却系统中的冷却液和内燃机冷却系统中的冷却液之间产生压力差，在电力元件冷却系统中的压力在电水泵25的作用下增大，而在内燃机冷却系统中发动机水泵22并未处于工作状态。
因此，在高温下被通过电力元件的冷却液入口15引入的大量的冷却液流经电力元件的散热器11，然后通过电力元件的冷却液出口17被排出，而一部分冷却液通过压力差而从旁路通过旁路孔19流至辅助散热器18，然后被供给至在内燃机的散热器10处的散热器水箱12b。
流入旁路的冷却液提高了流动通路的温度，即提高了辅助散热器18中的温度，从而温度梯度逐渐降低，例如电力元件>辅助散热器>内燃机。
因为旁路通路的温度梯度逐渐降低，所以由热量导致的膨胀力在同一通路上逐渐产生。
结果，因为膨胀力逐渐产生，所以与传统结构相比热冲击被显著减小，在传统的结构中，在较低温度侧的收缩力和在较高温度侧的膨胀力同时在直接接触的部分(隔板部分、芯体部分和芯体部分与集流管之间的结合部分)产生。
因此，通过减小热冲击，能够减小由于疲劳积累而产生的渗漏的可能性。
图3是显示了在高速驱动过程中或者在上坡驱动的过程中在根据本发明的各个实施例的具有多个分区结构的集成混合热交换器中的冷却液流动的原理图。
如图3所示，在高速驱动的过程中或者在上坡驱动的过程中，发动机水泵的流速大于电水泵的流速十倍以上。
通过由于流速不同而产生的压力差，来自内燃机的散热器10的冷却液在高温下从旁路通过旁路孔19而流至辅助散热器18，然后被供给至电力元件的散热器11。
高温下的流经旁路的冷却液的量非常小，因为辅助散热器18的通道面积较小，这增大了通路阻力。
在高温下流经旁路的少量冷却液通过流经辅助散热器18冷却，然后被供给至电力元件的散热器11。
以这种方式，因为冷却液的温度通过流经辅助散热器18而被冷却至中低温度，然后被供给至电力元件的散热器11，所以电力系统中的冷却液的温度未提高，从而防止电力元件的效率的降低并且防止由于冷却液的温度的升高而引起的输出功率的减少。
同时，包括辅助散热器18的集成热交换器能够提供对于热传导的热阻。
大约110℃高温的冷却液在内燃机的散热器中流动，大约70℃中低温的冷却液在电力元件的散热器中流动。因为每一散热器由芯体销和管构成，所以大量的热可从较高温度一侧被传导至较低温度一侧。
然而，通过设置在内燃机的散热器和电力元件的散热器之间的用于隔绝热度和提供热阻的辅助散热器，与传统结构相比，温度差被减小至例如小于40℃，从而减小了热传导的总量。
同样地，因为用于隔绝热度和提供热阻的辅助散热器被设置在内燃机的散热器和电力元件的散热器之间，所以能够减小热冲击和热传导，从而显著地提高电力元件冷却系统和内燃机冷却系统的冷却效率和耐久性。
如上文所述，由本发明所提供的具有多个分区结构的集成混合热交换器具有如下的和其它的优点。
1、热冲击的减小：通过散热器中的渐进的温度分布，能够减小由于热的冷却液的突然吸入而引起的热冲击。
2、由于热传导的最小化而引起的电力系统的冷却效率的提高：能够使从较高温度的内燃机的散热器到较低温度的电力元件的散热器的热传导最小化。
3、电力元件的效率的提高和防止能量输出的减少：能够通过向电力元件的散热器的热传导的最小化而提高电力元件的散热器的冷却效率。
4、耐久性的提高：能够通过减小热冲击而减小疲劳的积累，从而提高耐久性。
5、生产成本的降低：因为电力元件冷却系统的芯部和内燃机冷却系统的芯部适用于一个集流管和一个水箱，所以与传统结构相比能够降低生产成本，在传统结构中分别使用两个热交换器。
6、工艺的简化：能够去掉扭合工艺和一次焊接至少两个芯体部分。
7、重量的减轻和结构的简化：因为水箱和集流管的每一者均被去掉，所以与传统结构相比能够减轻重量且简化结构，在传统结构中，适用两个热交换器。
为了方便解释和精确限定所附权利要求，术语“上部”、“下部”、“前”、和“后”用于参考图中显示的这些特征的位置来描示例性实施例的特征。
前面对本发明的具体的示例性实施例呈现的描述是出于说明和描述的目的。他们并非旨在穷尽本发明，也非旨在把本发明限制为所公开的精确形式，显然，在上述传授的启发下很多修改和变化都是可能的。这些示例性实施例是为了解释本发明的特定原理及其实际应用而被选择和被描述的，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本发明的各种示例性实施例及其各种选择和修改。本发明的范围旨在由所附权利要求书及其等效文件所限定。

Claims (13)

1.一种具有多个分区结构的集成混合热交换器，包括：
第一散热器和第二散热器；
至少一个设置在所述第一散热器和第二散热器之间的冷却液旁路构件，该冷却液旁路构件连接第一散热器的第一端部和第二散热器的第二端部，从而使第一散热器和第二散热器之间的液体相流通；
第一散热器水箱，其同时连接于所述第一散热器的所述第一端部和所述第二散热器的第一端部上；
第二散热器水箱，其同时连接于所述第一散热器的第二端部和所述第二散热器的所述第二端部上；
第一导流板和第二导流板，其安装在所述第一散热器水箱中，其中第一导流板将第一散热器水箱分成上部空间和下部空间，从而形成第一和第二导流板之间的第一中间空间，而第二导流板包括第一旁路孔，其中第一散热器水箱的上部空间连接于第一散热器以使液体相流通，第一散热器水箱的下部空间连接于第二散热器以使液体相流通；以及
第三导流板和第四导流板，其安装于所述第二散热器水箱中，其中第三导流板将第二散热器水箱分成上部空间和下部空间，从而形成第三和第四导流板之间的第二中间空间，第四导流板包括第二旁路孔，其中第二散热器水箱的上部空间连接于第一散热器以使液体相流通，第二散热器水箱的下部空间连接于第二散热器以使液体相流通，其中第一中间空间和第二中间空间通过冷却液旁路构件相联以使液体相流通，
其中所述第一旁路孔开向第一散热器水箱的上部空间，所述第二旁路孔开向第二散热器水箱的下部空间，或者
其中所述第一旁路孔开向第一散热器水箱的下部空间，所述第二旁路孔开向第二散热器水箱的上部空间。
2.如权利要求1所述的集成混合热交换器，其中所述的冷却液旁路构件和第一散热器及第二散热器的纵轴被基本上平行地设置。
3.如权利要求2所述的集成混合热交换器，其中所述的第一散热器及第二散热器和所述的冷却液旁路构件集成于单一结构中。
4.如权利要求1所述的集成混合热交换器，其中所述第一散热器水箱的上部空间和下部空间分别包括冷却液入口，第二散热器水箱的上部和下部空间分别包括冷却液出口。
5.如权利要求4所述的集成混合热交换器，其中所述第一散热器的冷却液出口设置在低于其冷却液入口的位置。
6.如权利要求5所述的集成混合热交换器，其中所述第二散热器的冷却液出口设置在低于其冷却液入口的位置。
7.如权利要求1所述的集成混合热交换器，其中所述第一散热器、所述第二散热器和所述冷却液旁路构件中的芯体的厚度彼此各不相同。
8.如权利要求1所述的集成混合热交换器，其中所述冷却液旁路构件中的芯体的厚度小于所述第一散热器和第二散热器中的芯体的厚度。
9.如权利要求1所述的集成混合热交换器，其中所述第一散热器被构造成用于冷却内燃机。
10.如权利要求1所述的集成混合热交换器，其中所述第二散热器被构造成用于冷却电力元件。
11.如权利要求1所述的集成混合热交换器，其中所述第一散热器和第二散热器和所述冷却液旁路构件整体地形成。
12.一种车辆冷却系统，包括由权利要求1所述的集成混合热交换器冷却的内燃机和换流器。
13.一种车辆，包括如权利要求12所述的车辆冷却系统。
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