CN102538287A - 一种热交换式车船用空气温度调节系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热交换式车船用空气冷却系统，其包括采用醇类制冷剂的蒸发器、冷凝器、可抽吸蒸发器中的制冷剂并将其输出给冷凝器的射吸器、泵、可通过热交换吸收发动机尾气热量而使制冷剂汽化的加热器以及储液罐，该加热器管连接于射吸器和泵之间，蒸发器包括空调蒸发器和冷却蒸发器，或其中之一；冷却蒸发器设于发动机进气管路上或内置于发动机进气滤清器中，可对发动机的进气进行降温；进气温度的降低，可提高发动机吸气效率，进而使发动机的处于或接近最佳工作状态，增加了发动机功率、减少了燃油消耗、并减小了废气的排放。

Description

一种热交换式车船用空气温度调节系统

技术领域

本发明涉及内燃机领域，尤其是涉及一种可冷却或加热内燃机吸入的空气的热交换式车船用空气温度调节系统。

背景技术

炎热的夏天里空气密度因空气温度的升高而降低，在放置车、船发动机的机舱内因空气不太流通致使温度更是高达上百度，发动机工作时吸入的是温度相对比较高的空气，这样就大大降低了发动机吸气效率，进而影响了发动机的最佳工作状态，降低了发动机功率、增加了燃油消耗、增大了废气的排放；在寒冷的冬天，过低的进气温度，同样造成发动机性能的下降。从司乘人员的乘坐舒适程度来讲，炎热季节的高温空气对于人员的身体健康及司机的安全驾驶也会存在一定的不利影响。

另外，传统的车、船用冷气系统是由发动机或电力驱动压缩机来达到制冷目的，制冷系统工作时要消耗一定功率的动力，既增加了燃油的消耗又导致车、船的驱动力下降，这种情况在小排量车上更是明显。在这种实际情况下为推广小排量车增加了一定的难度。而且，传统制冷系统所采用的制冷剂为弗里昂，虽然现在采用了无氟制冷剂，但也是化工合成的化工产品，在提倡环保、节能的大环境下寻找一种无动力损耗、环保节能的制冷系统尤为重要。

车、船上作为动力输出的内燃机工作时产生大量的热量，这些热量大部分通过内燃机排放的气体释放到外部，形成一种能量浪费；鉴于此，基于充分利用能源的目的，不少发明人设想通过一系列的热交换来获取内燃机排放气体的热能，并将之用于降低车舱、船舱的空气温度，例如名为“车、船用节能空调装置”(专利号ZL 93235695.8)、名为“一种喷射式汽车制冷装置”(专利号ZL200920033358.9)的授权专利，即是回收内燃机尾气的热能的技术应用。

但现有的包括上述专利的尾气热能利用技术，存在以下不足：1、没有利用回收内燃机尾气的热能给内燃机进气降温的技术；2、受限于热能的回收结构，尾气热能的回收效率较低、制冷量不足。

发明内容

本发明主要目的是提供一种可利用发动机尾气热能给发动机进气降温或加热的热交换式车船用空气温度调节系统。

本发明另一目的是提供一种尾气热量回收效率较高的热交换式车船用空气温度调节系统。

本发明再一目的是提供一种利用发动机尾气热能降低或提升车舱、船舱的空气温度的热交换式车船用空气温度调节系统。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种热交换式车船用空气温度调节系统，包括采用醇类制冷剂的蒸发器、冷凝器、可抽吸蒸发器中的制冷剂并将其输出给冷凝器的射吸器、泵、可通过热交换吸收发动机尾气热量而使制冷剂汽化的加热器以及储液罐，该加热器管连接于射吸器和泵之间，其特征在于：所述蒸发器包括空调蒸发器和可给发动机进气加热或冷却的进气蒸发器，或空调蒸发器和进气蒸发器的其中之一；所述进气蒸发器设于发动机进气管路上或内置于发动机进气滤清器中；蒸发器用于升温时，由加热器供给制冷剂蒸汽；蒸发器用于降温时，由储液罐供给液态制冷剂。加热器用于吸收发动机排气管发出的热量，安装在发动机排气管上，排气腔成为排气管道的一部分，使发动机排出的尾气全部流过排气腔，使加热器可吸热的尾气量达到最大；制冷时，泵将储液罐中的制冷剂输送至加热器，制冷剂在加热器中汽化，汽化后的制冷剂高速进入射吸器进行喷射，并产生负压，在卷吸作用下，蒸发器内的制冷剂向射吸器流动并在射吸器内与高速气体混合后排出到冷凝器，进入冷凝器冷凝成常温常压的液体，冷凝后形成的液体一部分经节流后进入蒸发器，另一部分进入储液罐后经加液泵送入加热器补充加热器内因蒸发所损失的制冷剂；制热时，泵将储液罐中的制冷剂输送至加热器，制冷剂在加热器中汽化，汽化后的制冷剂高温蒸汽直接进入蒸发器；进气蒸发器设置在发动机进气管路上或内置于发动机进气滤清器中，可对发动机的进气进行降温或加热，以保持适当的进气温度，可提高发动机吸气效率，进而使发动机的处于或接近最佳工作状态，增加了发动机功率、减少了燃油消耗、并减小了废气的排放；空调蒸发器，安装在需要降温车舱、船舱内；蒸发器包括空调蒸发器和进气蒸发器，或空调蒸发器和进气蒸发器的其中之一，可视具体需要而定。

作为优选，所述的加热器具有排气腔、可与排气腔进行热交换的加热腔；排气腔为可通过发动机排放的气体的封闭腔体；加热腔为可流入制冷剂、制冷剂可在腔体内气化、并可将气体输出的封闭腔体，加热腔具有一个或一个以上制冷剂入口。加热器用于吸收发动机排气管发出的热量，安装在发动机排气管上，排气腔成为排气管道的一部分，使发动机排出的尾气全部流过排气腔，使加热器可吸热的尾气量达到最大；对于排量较大的发动机，加热腔可具有一个以上制冷剂入口，使制冷剂进入加热腔时分布更均匀，利于提高制冷剂的吸热速度、和气化效率，避免制冷剂过于集中，而产生较大的冷热不匀现象。

作为优选，所述加热腔的入口设有喷嘴，该喷嘴的出口朝向加热腔的内腔壁。进入加热器的液体通过喷嘴后，形成雾状直接喷到加热腔的内壁上，这样可使液体迅速沸腾汽化，喷嘴的流量及数量视制冷系统所需制冷量的大小而定，制冷快、制冷量大时，加热器后的射吸器所需要的蒸汽量也大，喷嘴数量及流量相对也要大，反之减少。这种结构，使制冷剂吸热效率较高、气化速度快，并满足较大的蒸汽量的需求。另外，每个加热腔的入口可设置一个或多个喷嘴；设置多个入口，则可进一步提高喷嘴数量。

作为优选，所述加热腔内设有检测气压的压力传感器，加热腔的气体出口或气体出口的管路上设有第一电磁截止阀。置于加热腔内的压力传感器通过外部控制系统控制第一电磁截止阀，视所需制冷量相对应的压力决定第一电磁截止阀的开启与闭合及加液泵的运转与停止；当压力传感器检测到加热腔的气压达到预定压力时，外部控制系统才指令第一电磁截止阀开启，加热腔输出的气压可预设，当压力超过设定压力值时外部控制系统控制加液泵停止工作，低于设定值时外部控制系统控制加液泵运行。

当因发动机废气的高温及腐蚀使排气腔和加热腔的腔体损坏穿孔时，会导致加热腔内的制冷剂泄露，甚至会出现诸如制冷剂急剧膨胀而引发管路爆炸的情况；因此作为优选，加热腔和排气腔之间设有与两腔均可热交换的安全腔，该安全腔中注入有液态导热介质。安全腔用于吸收流经排气腔内的发动机废气的热量，由诸如导热油的导热介质把热量传导至加热腔用于加热制冷剂。安全腔在加热腔和排气腔之间起到隔离作用，使整体的安全性大为提高。为进一步提高安全性能，作为优选，所述安全腔中设有检测导热介质状态的泄露传感器。当因发动机废气的高温及腐蚀使排气腔腔体损坏穿孔时首先泄露的是导热介质，安装在安全腔内的泄露传感器把导导热介质泄露的信息传至报警装置提醒驾驶人员及时维修，这样既不影响制冷系统正常工作又可以继续正常使用制冷系统直至彻底修复。

在制冷剂进入加热器之前预先对制冷剂加热，可降低加热器的工作负荷，在发动机怠速时亦可保证加热器有足够的蒸汽产生；作为优选，所述加热器入口端的制冷剂管路上设有对制冷剂管路加热的预热系统。预热系统对制冷剂管路加热，制冷剂管路与其内的制冷剂进行热交换，使制冷剂在进入加热器之前就获得一定的温升，使其进入加热器后可更快地汽化。

预热系统可采用例如电加热、燃气加热等多种不同的方式，作为优选，所述预热系统包括发动机冷却水箱、管连接于发动机冷却水箱并可与其进行水循环的预热器；该预热器具有一个水腔，处于该水腔中的冷却剂管段呈平直或弯曲状态。水腔中充满来自发动机冷却水箱的热水；处于该水腔中的冷却剂管段为可热传递的材料制作，该管段浸泡在热水中，管段内的冷却剂与管段外的热水进行热交换；这种预热结构，可充分地利用发动机冷却水包含的热量，其具有两个优点：首先是利用发动机冷却水的热量使进入加热器的制冷剂能够更快地沸腾蒸发，减轻了加热器的工作负荷，这在发动机怠速时非常重要；其次是加快了发动机冷却水降温的速度，从而利于发动机的散热。

所述空调蒸发器和所述进气蒸发器上设有汽液分离器，汽液分离器的出口端通向储液罐。当蒸发器用于加热时，高温蒸汽进入蒸发器部分或全部冷凝，此时蒸发器内的液体可通过汽液分离器迅速排入储液罐中、气体可通过射吸器导入冷凝器，由此提高制冷剂循环速度。

作为优选，所述泵安装在密封的储液罐内，储液罐为可开启式的封闭结构。储液罐的盖板为法兰连接；加液泵安装在密封的储液罐内，有利于整个系统的密封，因整个系统只有加液泵是运转部件，所以加液泵的密封是保证整个系统密封效果的关键，加液泵放置在密封储液罐内可有效地保证系统的密封效果，即便是在使用中加液泵出现泄露但只要加液泵能保证出液量及出液压力，使系统仍可继续使用。

作为优选，所述泵出口端的制冷剂管路上设有单向阀；所述加热器的出口端与冷凝器之间设有安全回路，该安全回路上设有安全阀。单向阀可防止在加热器内压力增高但加液泵尚未工作时液体倒流进储液罐内。加热器的出口端与冷凝器之间设有安全回路，一旦加热器内的气压超过预设压力，安全阀便打开，安全回路导通，使加热器内的制冷剂流入冷凝器，由此加热器内的气压保持在正常使用状态；如果加热器内的压力传感器损坏，致使第一截止阀没有开启，使通向射吸器的回路没有导通，安全回路亦可及时开启，从而避免加热器内的气压过高而出现危险情况。

作为优选，所述蒸发器入口端制冷剂回路上设有节流阀或毛细管；所述射吸器包括喷嘴，喷嘴外设腔体，该腔体由低压腔和平衡腔构成。来自加热器的高压蒸汽从喷嘴喷出，使低压腔产生负压，吸入与低压腔连通的蒸发器内的制冷剂低温蒸汽，低温蒸汽与喷嘴喷出的高温蒸汽在平衡腔混合，再流入冷凝器中。节流阀或毛细管使制冷剂以常温低压的状态平稳地进入蒸发器。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

1、本系统利用了内燃机工作时排放的尾气，对内燃机进气进行有效地降温或加热，使内燃机处于或更接近于最佳的工作状态；

2、可为车舱、船舱降温或升温；

3、为无氟制冷系统，环保无污染；

4、加热器的排气腔为排气管道的一部分，使发动机排出的尾气全部流过排气腔，尾气利用率较高；制冷剂经过喷嘴喷射雾化进入加热腔，使制冷剂吸热效率较高、气化速度快，并可通过增加喷嘴数量，满足较大的蒸汽量的需求；加热腔内设有检测气压的压力传感器，结合电磁截止阀，使制冷剂在加热器内沸腾汽化成较高压力的气体；具有包括安全腔的三腔结构，既具有较好的热交换效果，又具有良好的安全性能；

5、设有制冷剂预热系统，在制冷剂进入加热器以前预先对制冷剂加热，可降低加热器的工作负荷，在发动机怠速时亦可保证加热器有足够的蒸汽产生；

6、利用发动机冷却水的热量预热制冷剂，既充分地利用了发动机冷却水的热量使进入加热器的制冷剂能够更快地沸腾蒸发，又加快了发动机冷却水降温的速度、提高了发动机的散热效果。

附图说明

附图1是本发明的原理示意图；

附图2是给发动机进气降温的回路原理图；

附图3是给发动机进气加热的回路原理图；

附图4是射吸器的原理示意图；

附图5是加热器的原理示意图；

附图6是加热器的腔体断面示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本发明一种热交换式车船用空气温度调节系统，如附图1所示包括采用醇类制冷剂的蒸发器、冷凝器9、可抽吸蒸发器中的制冷剂并将其输出给冷凝器9的射吸器6、泵1、可通过热交换吸收发动机尾气热量而使制冷剂汽化的加热器5以及储液罐2，该加热器5管连接于射吸器6和泵1之间。

蒸发器包括空调蒸发器7和进气蒸发器8，或空调蒸发器7和进气蒸发器8的其中之一；进气蒸发器8设于发动机进气管路上或内置于发动机进气滤清器18中，冷却进入发动机的空气；空调蒸发器7设于需要降温的车舱、船舱内，为车舱、船舱降温。

加热器5入口端的制冷剂管路上设有对制冷剂管路加热的预热系统。预热系统包括发动机冷却水箱17、管连接于发动机冷却水箱17并可与其进行水循环的预热器4；该预热器4具有一个水腔，处于该水腔中冷却剂管段呈平直或弯曲状态。加热器5的出口端与冷凝器9之间设有安全回路，该安全回路上设有安全阀11；安全阀11为机械弹簧式泄压阀，开启压力预设为大于加热器传感器预设压力，当加热器5内的压力传感器或外围控制电路失灵时，因加热器5内压力超过安全阀预设压力，安全阀11打开把加热器5内的压力蒸汽直接排放到冷凝器9，以保证整个系统的安全，同时与安全，11联动的报警装置启动，通知驾驶员出现故障尽快维修。

泵5安装在密封的储液罐2内，储液罐2为可开启式的封闭结构。泵5出口端的制冷剂管路上设有单向阀3。

蒸发器入口端制冷剂回路上设有节流阀或毛细管15、16。

如附图5、附图6所示，加热器5具有排气腔53、可与排气腔53进行热交换的加热腔51；排气腔53为可通过发动机排放的气体的封闭腔体；加热腔51为可流入制冷剂、制冷剂可在腔体内气化、并可将气体输出的封闭腔体，加热腔51具有一个或一个以上制冷剂入口。排气腔53的横截面大于发动机排气管的截面积。加热腔51和排气腔53之间设有与两腔均可热交换的安全腔52，安全腔52中注入有液态导热介质。安全腔52中设有检测导热介质状态的泄露传感器。加热腔51为环绕于排气腔53的环形腔。加热腔51的入口设有喷嘴54，该喷嘴54的出口朝向加热腔51的内腔壁。加热腔51的腔体内壁上设有散热片。加热腔51内设有检测气压的压力传感器，加热腔51的气体出口或气体出口的管路上设有第一电磁截止阀12。加热腔51和排气腔53的腔体材质为耐腐蚀、耐热材料；对于加热腔51不用于热交换的腔体，其外设有保温层。

安全腔53的作用有三个：1、用于吸收流经排气腔内的发动机废气的热量，由导热油把热量传导至外部的加热腔51用于加热制冷剂。2、防止当因发动机废气的高温及腐蚀使内部损坏穿孔时发动机废气与加热腔直接连通而产生制冷剂泄露引起制冷系统马上失去功能。3、当因发动机废气的高温及腐蚀使内部损坏穿孔时首先泄露的是导热介质，安装在安全腔内的泄露传感器把导热介质泄露的信息传至报警装置提醒驾驶人员及时维修，这样既不影响制冷系统正常工作又可以继续正常使用制冷系统直至彻底修复。

如附图4所示，射吸器6包括喷嘴61，喷嘴61外设腔体，该腔体由低压腔62和平衡腔63构成。喷嘴61的入口接受来自加热器5的高压蒸汽；低压腔62的入口接受来自蒸发器内的制冷剂低温蒸汽，低温蒸汽与喷嘴61喷出的高温蒸汽在平衡腔63混合后，输出到冷凝器9中。

本发明中，给发动机进气降温部分的回路，如附图2所示，其工作流程为：当内燃机需要制冷时打开制冷控制开关，泵1开始工作加液，当预热后的制冷剂经雾化喷嘴54喷到加热器5内时，受加热器5内高温度作用开始沸腾、汽化，使加热腔51内压力升高，当加热腔51内的压力达到设定值后，加热腔51内的压力传感器把信号传递给外部控制系统，而开启第一电磁截止阀12、第二电磁截止阀14及安装在冷凝器9上的电子风扇。高压蒸汽经连接第一电磁截止阀12的管路进入射吸器6喷射，喷射时射吸器6内低压腔62吸引来自经节流后进入进气蒸发器8蒸发的制冷剂低温蒸汽，在两股气体混合后经射吸器6出口沿连接冷凝器9的管路进入冷凝器9，进入冷凝器9的蒸汽经电子扇强制冷却后冷凝成液体进入储液罐2，进入储液罐2的液体一部分经泵1、预热器4重新进入加热器5内加热重复上述工作，储液罐2内另一部分液体经管路上的节流阀或毛细管16被吸引到进气蒸发器8。

给发动机进气加热部分的回路，如附图3所示，其给发动机进气加热的工作流程为：当寒冷季节发动机进气温度需要提高时，外部控制系统控制加液泵1开启，当加热器5内压力达到一定值时由传感器发出信号外部控制系统开启第二电磁截止阀14、第四电磁截止阀20、第五电磁截止阀23，加热器5内的高温蒸汽通过管路经第四电磁截止阀20直接进入进气蒸发器8内散热，在进气蒸发器8内由于散热而冷凝成的一部分液体经汽液分离器21、第五电磁截止阀23沿管路直接返回储液罐2，未冷凝的蒸汽经第二电磁截止阀14、射吸器6沿管路进入冷凝器9内冷凝成液体后进入储液罐2。

给车舱、船舱制冷时，开启第三电磁截止阀13时，制冷剂便从节流阀或毛细管15流入空调蒸发器7，再经过第三电磁截止阀13进入射吸器6，其余同给发动机进气降温工作流程。给车舱、船舱加温时，外部控制系统控制加液泵1开启，当加热器5内压力达到一定值时由传感器发出信号外部控制系统开启第三电磁截止阀13、第六电磁截止阀19、第七电磁截止阀22，加热器5内的高温蒸汽通过管路经第第六电磁截止阀19直接进入空调蒸发器7内散热，在空调蒸发器7内由于散热而冷凝成的一部分液体经汽液分离器21、第七电磁截止阀22沿管路直接返回储液罐2，未冷凝的蒸汽经第三电磁截止阀13、射吸器6沿管路进入冷凝器9内冷凝成液体后进入储液罐2。

Claims (10)

1.一种热交换式车船用空气温度调节系统，包括采用醇类制冷剂的蒸发器、冷凝器(9)、可抽吸蒸发器中的制冷剂并将其输出给冷凝器(9)的射吸器(6)、泵(1)、可通过热交换吸收发动机尾气热量而使制冷剂汽化的加热器(5)以及储液罐(2)，该加热器(5)管连接于射吸器(6)和泵(1)之间，其特征在于：所述蒸发器包括空调蒸发器(7)和可给发动机进气加热或冷却的进气蒸发器(8)，或其中之一；所述进气蒸发器(8)设于发动机进气管路上或内置于发动机进气滤清器(18)中；蒸发器用于升温时，由加热器(5)供给制冷剂蒸汽；蒸发器用于降温时，由储液罐(2)供给液态制冷剂。

2.根据权利要求1所述的一种热交换式车船用空气温度调节系统，其特征在于：所述的加热器(5)具有排气腔(53)、可与排气腔(53)进行热交换的加热腔(51)；排气腔(53)为可通过发动机排放的气体的封闭腔体；加热腔(51)为可流入制冷剂、制冷剂可在腔体内气化、并可将气体输出的封闭腔体，加热腔(51)具有一个或一个以上制冷剂入口；所述加热腔(51)的入口设有喷嘴(54)，该喷嘴(54)的出口朝向加热腔(51)的内腔壁。

3.根据权利要求2所述的一种热交换式车船用空气温度调节系统，其特征在于：所述加热腔(51)内设有检测气压的压力传感器，加热腔(51)的气体出口或气体出口的管路上设有第一电磁截止阀(12)。

4.根据权利要求2所述的一种热交换式车船用空气温度调节系统，其特征在于：所述加热腔(51)和所述排气腔(53)之间设有与两腔均可热交换的安全腔(52)，该安全腔(52)注入有液态导热介质、并设有检测导热介质状态的泄露传感器。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种热交换式车船用空气温度调节系统，其特征在于：所述加热器(5)入口端的制冷剂管路上设有对制冷剂管路加热的预热系统。

6.根据权利要求7所述的一种热交换式车船用空气温度调节系统，其特征在于：所述预热系统包括发动机冷却水箱(17)、管连接于发动机冷却水箱(17)并可与其进行水循环的预热器(4)；该预热器(4)具有一个水腔，处于该水腔中的冷却剂管段呈平直或弯曲状态。

7.根据权利要求1或2或3或4所述的一种热交换式车船用空气温度调节系统，其特征在于：所述空调蒸发器(7)和所述进气蒸发器(8)上设有汽液分离器(21)，汽液分离器(21)的出口端通向储液罐(2)。

8.根据权利要求1或2或3或4所述的一种热交换式车船用空气温度调节系统，其特征在于：所述泵(5)安装在密封的储液罐(2)内；所述储液罐(2)为可开启式的封闭结构。

9.根据权利要求1或2或3或4所述的一种热交换式车船用空气温度调节系统，其特征在于：所述泵(5)出口端的制冷剂管路上设有单向阀(3)；

所述加热器(5)的出口端与冷凝器(9)之间设有安全回路，该安全回路上设有安全阀(11)。

10.根据权利要求1或2或3或4所述的一种热交换式车船用空气温度调节系统，其特征在于：所述蒸发器入口端制冷剂回路上设有节流阀或毛细管(15、16)；所述射吸器(6)包括喷嘴(61)，喷嘴(61)外设腔体，该腔体由低压腔(62)和平衡腔(63)构成。

Images