CN102037305B - 热交换器和包括这种交换器的集成空调组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于空调回路的热交换器，包括第一管(110)，该第一管限定用于流体流动的路径，其中所述第一管绕所谓的交换器轴线(A)缠绕为螺旋形。根据本发明，所述热交换器(9)还包括至少一个第二管(120a，120b)，该第二管限定用于第二流体流动的路径，其中所述第二管被设置为抵靠第一管(11)的表面且与所述第一管(110)一起绕所述轴线(A)缠绕为螺旋形。本发明可被用于利用超临界冷却剂操作的空调回路中，该冷却剂特别是二氧化碳(CO2)。

Description

热交换器和包括这种交换器的集成空调组件
技术领域
本发明涉及用于空调系统的热交换器。还涉及所述热交换器作为空调系统的内部交换器的用途、用于通过冷却剂操作的空调系统的集成组件和包括这种集成组件的空调系统。
本发明特别有利地应用于利用超临界冷却剂操作的空调系统的领域，该冷却剂例如是二氧化碳(CO2)。
背景技术
该类型的空调系统通常包括压缩机、气体冷却器、内部交换器、膨胀室和蓄积器。通过压缩机而变成高压的冷却剂被传送到气体冷却器以被冷却。来自冷却器的高压流体然后在内部交换器的第一支路中流动，然后通过膨胀室膨胀。在内部交换器的第二支路中流动之前，低压流体然后流过蒸发器，然后是蓄积器。冷却剂然后返回到压缩机以经历又一循环。
在内部交换器中，在第一支路中流动的热高压流体与在第二支路中流动的冷低压流体进行热交换。
设置在蒸发器的出口处的蓄积器被设计为储存离开蒸发器的冷低压流体中存在的过量液体。该蓄积器通常为适于把冷却剂的液体部分与气体部分分离的贮存器的形式。该蓄积器把低温冷却剂的气体部分在经过内部交换器之后传送到压缩机。
众多已知的内部交换器中，已知其与水平蓄积器相关联，形成法国专利申请No.2 752 921中描述的集成组件。在该集成组件中，内部交换器具有大致螺旋形状。分隔件被设置在内部交换器的卷绕部(winding)之间，以使得冷流体能够流动，同时热流体在缠绕在螺旋形平行通道内的管内流动，该通道设置为垂直于管的轴线。
但是该方案包括在每个卷绕部之间设置间隔，以为低压流体形成通道。这由此产生显著的径向体积。
为了克服该缺陷，已提出一种用于空调系统的热交换器，包括限定用于流体和第二流体流动的路径的管，该流体称为高压流体，该第二流体称为低压流体，其中该管被绕轴线缠绕以限定相继的卷绕部。
而且，在该交换器中，管的相继卷绕部被紧密地配合在一起以限定防漏通道，称为副通道，用于第二流体的流动，其中这些副通道被定位在管的突出区域之间。管还具有称为主通道的通道，设置在突出区域中，用于被第一流体通过。
该已知的热交换器包括具有大致圆柱形形状的内芯部，该芯部布置在管的中央且包括多个嵌套元件，该嵌套元件同时确保管的卷绕，第一流体在主通道的出口处的排放和第二流体在副通道的入口处的供应。
但是，该方案要求使用相对复杂的内芯部。
本发明的另一目的是要提出一种用于空调系统的热交换器，其特别能使得前述已知交换器的结构在用于第一流体的出口和用于第二流体的入口方面被简化。
发明内容
根据本发明，该目的通过一种用于空调系统的热交换器实现，该热交换器包括第一管，该第一管限定用于称为高压流体的第一流体流动的路径，其中所述第一管绕称为交换器轴线的轴线缠绕为螺旋形，特别之处在于，所述热交换器还包括至少一个第二管，该第二管限定用于称为低压流体的第二流体流动的路径，其中所述第二管被固定到第一管的面且与所述第一管一起绕所述轴线缠绕为螺旋形。
由此，下面详细所示，由于第一和第二流体在独立的管内流动，可以把第一管的出口和第二管的入口分开，由此提供独立的装置用于排出第一流体和用于供应第二流体，而不需要同时执行这两种功能的单个复杂零件。
本发明还涉及根据本发明的热交换器作为空调系统的内部交换器的用途，特别之处在于，所述第一流体是高压流体，所述第二流体是低压流体。特别地，所述第一和第二流体由相同冷却剂组成，特别是超临界流体。
根据本发明的实施例，所述第一管包括多个主平行通道，其每个都限定用于第一流体流动的绕交换器轴线的螺旋形路径。有利地，所述主通道具有基本上圆形的横截面，以更好地耐受第一高压流体在其中流动的第一管的压力。
类似地，根据本发明，所述第二管包括多个副平行通道，其每个都限定用于第二流体流动的绕交换器轴线的螺旋形路径。有利地，所述副通道具有基本上矩形的横截面，以提供第二管中流动的第二低压流体和第一管中流动的第一高压流体之间热交换的更好表面。
在本发明的优选实施例中，热交换器包括分别固定到第一管的一个面的两个第二管。
该实施例实际上使得可以通过增加设置用于第二管的通道截面而获得交换器的第二支路中的压头损失的降低，第二低压流体在该第二支路中流动。
当然，本发明仍然保留用于第二低压流体流动的第二管的任意数量。
本发明还涉及一种用于利用冷却剂操作的空调系统的集成组件，显著之处在于，所述集成组件包括壳体，根据本发明的内部交换器被容置在该壳体中，位于盖和基部之间，其中所述基部装备有入口，该入口允许第二流体进入由所述第一和第二管形成的卷绕部中，且在于，所述壳体包括用于第二流体的第二出口管，平行于交换器轴线且包括出口开口。
根据特定实施例，根据本发明的集成组件包括用于所述第二流体的副入口管，平行于交换器轴线且其一端通过所述基部与所述出口相通。
根据本发明的特定实施例，所述集成组件包括连接到所述集成组件的基部的蓄积器，所述第二入口管引入到该蓄积器中以与所述出口相通。
根据第一替换，主管和副管被设置为第一管中的第一流体和第二管中的第二流体同向流动。
根据第二替换，主管和副管被设置为第一管中的第一流体和第二管中的第二流体反向流动。
本发明最后涉及一种利用冷却剂操作的空调系统，包括压缩机、气体冷却器、膨胀室和蒸发器，显著之处在于，所述空调系统包括根据本发明的集成件，其中主入口管被连接到气体冷却器且主出口管被连接到膨胀室，而副入口管被连接到蒸发器且副出口管被连接到压缩机。
附图说明
结合所附附图的下面的描述作为非限定性实例而被提供，有助于理解本发明和其是如何制造的。
图1是根据本发明的空调系统的示意图；
图2是用于图1的空调系统的集成组件的分解透视图；
图3是图2的集成组件的顶部视图；
图4是图2和3的集成组件的热交换装置的示意性透视图。
具体实施方式
图1示出了利用冷却剂操作的空调系统10，该冷却剂特别是超临界冷却剂，例如二氧化碳(CO2)。
空调系统10可被安装在机动车中，以根据乘客的需要冷却车辆内部的空气。
这种根据超临界冷却剂循环操作的空调系统主要包括压缩机14、与风扇16相关联的气体冷却器11、内部热交换器9、膨胀室12、蒸发器13和蓄积器17。
压缩机14压缩冷却剂至排放压力(discharge pressure)，称为高压。该流体然后流过气体冷却器11，在该冷却器处该流体在高压下的气体相下被冷却。在该冷却过程中，该流体不被冷凝，这不同于使用例如冷却剂的氟化成分的空调系统。
由此被气体冷却器11冷却的流体然后在内部热交换器9的第一支路90中流动以被再次冷却，该支路称为“热”支路。该流体然后进入膨胀室12，该膨胀室降低其压力，将其至少部分地变为液态。
流过蒸发器13的流体然后在恒压下变为气态。蒸发器13中的热交换使得能够产生被空气调节的气流，该气流被发送到车辆内部。
通常，离开蒸发器的冷却剂不完全被蒸发。蓄积器17被设置在蒸发器13的出口处以储存仍包含在流体中的过量液体。典型的蓄积器是适于把冷却剂的液体部分与气体部分分离的贮存器的形式。
蓄积器17然后传送低温冷却剂的气体部分到内部热交换器的第二支路92中，以与“热”支路90中流动的高温冷却剂进行热交换，该第二支路称为“冷”支路。
如图1所示，蓄积器17和内部热交换器9可被连接为单一部件100。这被称作“集成组件”。
图2示出了这样的集成组件100，其包括同一壳体130内的蓄积器17，内部热交换器9安装在该蓄积器上。
图2的内部交换器9基本上被设置在装置140周围，以在高压流体和低压流体之间进行热交换。
根据图3，该装置140包括第一管110，该第一管限定用于高压流体流动的路径，该第一管110被绕轴线A缠绕为螺旋形，该轴线在下文被称为交换器的轴线。热交换装置140还包括两个第二管120a、120b，每个都限定用于第二低压流体流动的路径。这些第二管被固定到第一管110的相应面且与所述第一管同时被绕内部交换器9的轴线A缠绕为螺旋形。在每个卷绕部处，第二内管120a的内壁可接触第二外管120b的外壁。除了压力水平，冷却剂在第一管110中和在第二管120a、120b中是相同的。实际上，该流体在第一管110内受到的压力(称为高压)大于该流体在第二管120a、120b中的压力(称为低压)。
换句话说，第一高压管被夹在第二低压管120a、120b之间，以促进高压流体和低压流体之间的交换。
不同管在热交换装置140中相对于彼此被设置的方式还在图4中示出。
实际上，管110、120a、120b可被挤压或通过钎焊或粘接(bonding)彼此固定。
高压流体在第一管110中的流动通过多个主平行通道确保，该通道每个都限定用于高压流体流动的绕交换器的轴线A的螺旋形的路径。这些主通道被包含在垂直于轴线A的相继平面内。尽管它们在图中未示出，法国专利No.2 752 921提供了这种主通道的描述。
有利地，所述主通道具有基本上圆形的横截面以提供更好的耐压性。
这些通道的相同结构还可被应用于副通道的每个第二管120a、120b中，该副通道每个都限定用于低压流体流动的绕交换器的轴线A的螺旋形的路径，其中这些主通道被包含在垂直于轴线A的相继平面内。
有利地，所述副通道具有基本上矩形的横截面以提供与第一管110的更大的热交换表面和降低沿低压流体行进路径的热损耗，同时为通过第二管120a、120b的流体提供最大有效通过截面。
如图3和4更详细所示，第一管110的主通道的端部在主入口管111和主出口管112之间延伸，该主入口管能接收来自空调系统的气体冷却器11的高压流体，该主出口管能传送高压流体至交换器外部，特别是至空调系统的膨胀室12。这些主管111、112具有基本上圆柱形的形状，其轴线平行于交换器的轴线A且分别具有开口113、114，如图3和4所示，能接收第一管110的端部中的相应一个。
主管111、112不接触第二管120a、120b的内或外表面。
实际上，主管111、112被钎焊或粘接到第一管110的端部。类似地，从图2和4可看到，主管111、112在它们的端部的一个处被帽115、116封闭，该帽由连接到或直接集成到管111或112的关闭件制成，例如通过端部的钎焊和折叠。
如图2和3所示，装备有主管111、112的热交换装置140被容置在盖150和基部160之间的壳体130中。该空间还容置副管121、122，该副管用于控制内部交换器9中的低压流体的流动。
更具体地，设置有用于低压流体的副入口管121，其平行于交换器的轴线A，用于接收来自空调系统的蒸发器13的低压流体，和用于将其穿过交换器的基部160传送到蓄积器17中。与其液相分离的低压流体通过热交换装置140中的用于低压流体的入口161a、161b离开蓄积器17，进入通过第一管110和第二管120a、120b形成的卷绕部内。
在两个第二管120a、120b中流动和与第一管110中流动的高压流体热交换之后，低压流体到达壳体130中的副通道，在那里其被装备有开口123的副出口管122收集。低压流体然后通过副出口管122沿空调系统的压缩机14的方向而被传送到交换器外部。
在图2的实施例中，基部160包括两个板160a、160b。
板160a(称为上基板)包括孔163a、164a，用于低压流体的副出口管122和用于高压流体的主入口管111分别被钎焊到所述孔上。标号为162a的另一孔形成在上基板160a中，用于低压流体的副入口管121穿过该孔。在该孔的位置处，可能有两种替换：一个是其中副管121在该孔的位置处被钎焊在板160a上，另一个是其中副管121不机械地连接到板160a。基本上位于管的卷绕部的中央处的另一孔161a用于(instrumental to)热交换装置140中的低压流体的入口160。
板160b(称为下基板)包括供用于低压流体的副入口管121穿过的孔162b、用于容纳高压流体的主入口管111的帽115的孔164b，以及孔161b，该孔161b与上基板160a的孔161a形成低压流体的开口160。低压流体的副出口管122简单地与下基板160b接触。
类似地，交换器的盖150包括标号为150a、150b的两个板。
板150a(称为下盖板)包括四个孔151a、152a、153a、154a，用于高压流体的主出口管112、用于低压流体的副入口管121、高压流体的副出口管122和用于高压流体的主入口管111被钎焊在该孔上。
板150b(称为上盖板)使得用于内部交换器9的高压和低压流体的入口/出口能被连接到用户侧上的相应入口/出口，该相应入口/出口位于帽170上，该帽能通过穿过帽170的孔171、172的螺钉连接到上盖板150b的销151b、152b上。替换地，帽170和上盖板150b之间的连接通过在销151b和152b的位置处的钎焊产生。
从图3的实施例可观察到，高压流体和低压流体在它们相应的管内反向地流动。但是，可以设想同向流动。为此，只需颠倒主管111、112的角色和使得高压流体通过主管112进入第一管110且被主管111收集在第一管110的出口处。
蓄积器是机械地连接到集成组件的基部160的独立部件。替换地，蓄积器限定集成组件的壳体130，该壳体具有桶的形状，其底部限定用于接收受到低压的流体，该底部在内部交换器上垂直地延伸，以便在与帽170重叠的区域终止，其中帽170进入蓄积器。还应理解，根据本发明的集成组件被设置和连接在蓄积器上方或完全集成在蓄积器中。
上述说明区别第一流体和第二流体，但是清楚的是，在本发明的优选实施例中，该流体是相同的且在封闭回路中循环，该回路中形成根据本发明的空调系统。

Claims (16)

1.一种用于空调系统的热交换器，包括第一管(110)，该第一管限定用于流体流动的路径，其中所述第一管绕称为该交换器轴线的轴线(A)缠绕为螺旋形，所述热交换器(9)还包括至少一个第二管(120a，120b)，该第二管限定用于该流体流动的路径，其特征在于，所述第二管被固定到第一管(110)的面且与所述第一管(110)一起绕所述轴线(A)缠绕为螺旋形，所述热交换器(9)包括分别固定到第一管(110)的一面的两个第二管(120a，120b)，其中，在每个卷绕部处，第二内管(120a)的内壁接触第二外管(120b)的外壁。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述第一管(110)包括多个主平行通道，其每个都限定用于第一流体流动的绕该交换器轴线(A)的螺旋形路径。
3.根据权利要求2所述的热交换器，其中，所述主平行通道具有圆形横截面。
4.根据权利要求1至3任一项所述的热交换器，其中，所述第二管(120a，120b)包括多个副平行通道，其每个都限定用于所述流体流动的绕该交换器轴线(A)的螺旋形路径，其中该流体在第一管(110)内和在第二管(120a，120b)内是相同的且在第一管(110)内受到的压力大于流体在第二管(120a，120b)内的压力。
5.根据权利要求4所述的热交换器，其中，所述副平行通道具有基本上矩形的横截面。
6.根据权利要求2或3所述的热交换器，其中，所述主平行通道的端部在能接收所述流体的主入口管(111)和能排出所述流体至交换器外部的主出口管(112)之间延伸。
7.根据权利要求6所述的热交换器，其中，主入口管(111)和主出口管(112)中的至少一个具有基本上圆柱形的形状，其轴线平行于交换器轴线(A)，且具有能接收第一管(110)的端部的开口(113，114)。
8.根据权利要求1至3中任一项所述的热交换器，其中，所述第一管(110)和第二管(120a，120b)被挤压出。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的热交换器，其中，所述第一管(110)和第二管(120a，120b)通过钎焊或粘接固定。
10.一种用于利用冷却剂操作的空调系统的集成组件，其特征在于，所述集成组件(100)包括壳体(130)，根据权利要求1至9中任一项所述的热交换器(9)被容置在该壳体中，位于盖(150)和基部(160)之间，其中所述基部装备有入口(161a，161b)，该入口允许第二流体进入由所述第一管(110)和第二管(120a，120b)形成的卷绕部中，且在于，所述壳体(130)包括用于流体的副出口管(122)，该副出口管平行于交换器轴线(A)且包括出口开口(123)。
11.根据权利要求10所述的集成组件，包括用于所述流体的副入口管(121)，其平行于交换器轴线(A)且其一端通过所述基部(160)与所述入口(161a，161b)相通。
12.根据权利要求11所述的集成组件，包括连接到所述集成组件(100)的基部(160)的蓄积器(17)，所述副入口管(121)引入到该蓄积器中以与所述入口(161a，161b)相通。
13.根据权利要求10所述的集成组件，其中，壳体(130)在基部(160)后在热交换器(9)的延伸部中延伸且包括用于接收低压流体的室。
14.根据权利要求10至12中任一项所述的集成组件，其中，主入口管(111)和主出口管(112)和副入口管(121)和副出口管(122)被设置用于在第一管(110)中的流体和在第二管(120a，120b)中的流体同向流动。
15.根据权利要求10至12中任一项所述的集成组件，其中，主入口管(111)和主出口管(112)和副入口管(121)和副出口管(122)被设置用于在第一管(110)中的流体和在第二管(120a，120b)中的流体反向流动。
16.一种利用冷却剂操作的空调系统，包括压缩机(14)、气体冷却器(11)、膨胀室(12)和蒸发器(13)，其特征在于，所述空调系统(10)包括根据权利要求10至15中任一项所述的集成组件(100)，其中主入口管(111)被连接到气体冷却器(11)且主出口管(112)被连接到膨胀室(12)，而副入口管(121)被连接到蒸发器(13)且副出口管(122)被连接到压缩机(14)。
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