CN103375944B - 用于空气调节系统的蒸发器 - Google Patents

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Abstract

一种用于空气调节系统（20）的蒸发器（100），该蒸发器具有歧管（108）和多个制冷剂管件（106），该多个制冷剂管件远离该歧管沿重力方向向下延伸。蒸发器（100）包括至少一个PCM壳体（102），该至少一个PCM壳体与制冷剂管件（106）的上部区域（104）配合来存储相变材料。在第一操作模式下操作时，热量从相变材料传递至制冷剂，以冻结并冷却该相变材料。在第二操作模式下操作时，热量从制冷剂传递至冻结的相变材料，以冷凝该制冷剂。经冷凝的制冷剂向下掉落通过管件（106）并且接纳来自空气流的热量，以冷却空气并蒸发该制冷剂。经蒸发的制冷剂向上上升返回至冷式歧管（108）。

Description

用于空气调节系统的蒸发器
技术领域
本申请是2009年6月10日提交的美国专利申请第12/481,933的部分继续申请，在此其全部内容以参见的方式纳入本文。
本发明涉及一种用于冷却车辆车厢的空气调节系统，并且更具体地涉及用于空气调节系统的蒸发器。
背景技术
车辆中的燃料效率通过在低效阶段、例如在车辆惯性滑行或者临时停止时关闭汽油发动机来提高。然而，典型空气调节系统的压缩机依赖于汽油发动机的曲柄轴，因此汽油发动机在这些低效阶段仍持续地运行，以防止对车辆的乘客造成不舒适的情况。希望使空气调节系统在发动机关闭时仍持续运行，使得车辆在这些低效阶段能关闭它们的汽油发动机。
在2007年1月2日授予Haller等人的美国专利第7,156,156号（此后称为Haller'156）提供了一种解决空气调节系统在发动机不运行时就不起作用这一问题的方案。Haller'156专利示出了一种蒸发器，该蒸发器具有流过其中的制冷剂，从而在车辆发动机运行的第一操作模式中将热量从空气流传递至该制冷剂。该蒸发器包括沿水平方向延伸的歧管。至少一个管件与歧管流体连通，并且远离该歧管沿垂直方向向下延伸。蒸发器限定至少一个空腔或相变材料（PCM）储罐，用于存储相变材料，从而在车辆发动机运行的第一操作模式中将热量从相变材料传递至制冷剂以冷却并冻结相变材料。
Haller'156专利的空腔设置在多个管件附近并且与该多个管件配合。在车辆发动机停滞的第二操作模式中，热量直接从空气流传递至空腔中的相变材料，以冷却空气流，从而融化或加热相变材料。仍然不断地需要改进的空气调节系统，在车辆发动机关闭时，该空气调节系统在低效阶段持续操作。
发明内容
本发明提供一种蒸发器，该蒸发器具有PCM壳体，该PCM壳体与蒸发器的制冷剂管件的上部区域配合。在第二操作模式中，热量从制冷剂传递至冻结的相变材料，以冷却并冷凝该制冷剂。制冷剂沿垂直方向向下掉落穿过该制冷剂管件。然后，经冷凝的制冷剂接纳来自空气流的热量，以冷却该空气流并加热和蒸发该制冷剂。经蒸发的制冷剂沿垂直方向向上上升返回至冷式歧管，在此，该制冷剂将热量分散给冻结的相变材料。
用于空气调节系统的蒸发器提供在发动机运行和停滞时都能对车辆车厢进行冷却的改进无源系统。该空气调节系统也可用在非车辆的应用中。该空气调节系统比在车辆发动机停滞时仍持续操作的现有技术空气调节系统具有更小的容积、更便宜并且更易于制造。此外，由于PCM壳体与制冷剂管件的上部区域配合，其中较低温度的相变材料诱使容纳在制冷剂管件中的制冷剂发生热虹吸，从而在车辆发动机停滞情形下的短暂期间持续地冷却迎面而来的空气流。最后，通过将PCM壳体配合在相邻的制冷剂管件之间，该PCM壳体能与预先存在的蒸发器成一体。
附图说明
由于参照结合附图而考虑的以下详细描述能更好地理解本发明的其它优点，因而这些优点会变得更容易理解，附图中：
图1是蒸发器的示例实施例的立体图；
图2是沿图1中剖线2-2剖取的蒸发器的示例实施例的剖视图；
图3是空气调节系统的示例实施例的流程图；
图4是输入和输出歧管的示例实施例的立体图；
图5是沿图2的剖线5-5剖取的其中一个管件的剖视图；
图6是蒸发器的替代实施例的立体图，该蒸发器具有夹在相邻制冷剂管件之间的多个PCM壳体；
图7是图6所示蒸发器的立体分解图；
图8示出通过图6所示蒸发器的制冷剂管件产生热虹吸效应的示意图；
图9示出PCM壳体的板件；以及
图10示出与制冷剂管件的上部配合的PCM壳体的剖视图。
具体实施方式
参见附图，其中在所有附图中，类似的附图标记指代相对应的部件，在图3中总地示出空气调节系统20。在该示例实施例中，虽然空气调节系统20如图所示位于具有发动机22的车辆中，然而空气调节系统20也可用于冷却建筑物或任何其它结构。示例实施例的车辆具有车辆发动机22运行的第一操作模式和车辆发动机22停滞的第二操作模式。第二操作模式可以是多种不同的驱动情况、例如在车辆惯性滑行或临时停止时。空气调节系统20在用于混合电动车辆时尤为有效，因为在电动机驱动车辆时，示例实施例的空气调节系统20持续地为车辆车厢提供冷却。
空气调节系统20包括制冷剂回路24，该制冷剂回路24大体在图3中示出用于循环制冷剂。该制冷剂回路24包括压缩机26，在第一操作模式，该压缩机用于将制冷剂压缩至过热气体。在该实施例实施例中，压缩机26可操作地连接于车辆发动机22。换言之，压缩机26仅仅在车辆发动机22运行时起作用。或者，例如在空气调节系统20用于冷却建筑物或者用于不具有发动机22的电动车辆时，能电力地驱动压缩机26。
制冷剂回路24还包括冷凝器28，该冷凝器与压缩机26流体连通，用于接纳过热制冷剂并且用于将热量从制冷剂传递至第一空气流30，以将制冷剂冷凝成液体。制冷剂回路24还包括膨胀阀32，该膨胀阀与冷凝器28流体连通，用于接纳液态制冷剂并且用于对制冷剂进行再冷。
蒸发器34完成制冷剂回路24并且与膨胀阀32流体连通，用以接纳再冷制冷剂。蒸发器34将热量从第二空气流36传递至该制冷剂，以将制冷剂蒸发成气体并且冷却第二空气流36。在该示例实施例中，第二空气流36用于在车辆发动机22运行的第一操作模式中冷却车辆的车厢，然而如上所述，第二空气流36也可用于冷却建筑物。
大体在图1和2中示出的示例实施例的蒸发器34包括输入歧管38和输出歧管40，该输入歧管和输出歧管沿水平方向以隔开且平行的关系延伸，这在图1、2和4中最佳示出。该输入歧管38限定了彼此水平隔开的多个输入管件槽42，而输出歧管40限定了彼此水平隔开并且与输入管件槽42对准的多个输出管件槽44。蒸发器34还包括多个管件46。在空气调节系统20位于车辆中的示例实施例中，管件较佳地由铝制成。在空气调节系统20用于冷却建筑物的情形中，管件较佳地由铜制成。每个管件46都限定流体通道48，该流体通道48在对准的输入管件槽42和输出管件槽44之间延伸，用以将制冷剂从输入歧管38传送至输出歧管40。每个流体通道48都限定了第一腿部50和第二腿部52，该第一腿部与其中一个输入管件槽52流体连通，而第二腿部与对准的输出管件槽44流体连通。流体通道48的第一和第二腿部50、52以彼此平行的关系远离输入歧管38和输出歧管40向下延伸。流体通道48的第一和第二腿部50、52在输入歧管38和输出歧管40下方垂直地互连，从而使流体通道48限定为U形。在图5中最佳示出，每个管件46具有呈现平坦的侧部54的截面，该侧部由圆形端部56互连。流体通道48的第一和第二腿部50、52中的每个都具有至少0.8mm的高度H。
空气散热片58设置在相邻管件46的平坦侧部54之间并且与这些平坦侧部配合，用以接纳来自第二空气流36的热量。在该示例实施例中，空气散热片58铜焊焊接于相邻管件46的平坦侧部54。该示例实施例的空气散热片58还构造成增大从蒸发器34中制冷剂至第二空气流36的热传递。
蒸发器34限定了至少一个PCM储罐60来储存相变材料。该相变材料可以是具有CnH2n+2的分子式的液态饱和烃、石蜡或在室温下能保持液态的任何其它材料。在第一操作模式下操作时，热量从相变材料传递至再冷制冷剂，以冷却并冻结该相变材料。
在该示例实施例中，PCM储罐60与输入歧管38和输出歧管40配合。在第二操作模式中，热量从制冷剂传递至冻结的相变材料，以冷却并冷凝该制冷剂。输入歧管38和输出歧管40中经冷凝的制冷剂密度会增大，并且由于重力作用而沿垂直方向向下掉落穿过管件46的流体通道48的第一和第二腿部50、52。然后，经冷凝的制冷剂接纳来自第二空气流36的热量，以冷却第二空气流36并蒸发该制冷剂。经蒸发的制冷剂沿垂直方向向上流过管件46的流体通道48的第一和第二腿部50、52，并流回至低压的冷式输入和输出歧管38、40，在此制冷剂随后通过将热量传递至冻结的相变材料而再冷却和冷凝。换言之，在该示例实施例中，即使车辆处于车辆发动机22停滞的第二操作模式中，蒸发器34仍持续冷却第二空气流36。
图6中示出蒸发器100的替代示例实施例，该蒸发器具有多个PCM壳体102，该多个PCM壳体与制冷剂管件106的上部区域104热连通。蒸发器100包括上部歧管108和下部歧管110，其中相对于重力方向使用术语上部和下部。平坦的制冷剂管件106使上部歧管108与下部歧管110液压地连接，该平坦制冷剂管件可由本领域普通技术人员已知的任何方法来制造，例如通过挤压、折叠导热材料板或者组装具有限定流动空间的冲压结构的两个板件半部。虽然示出了平坦管件，然而本领域普通技术人员应认识到也可使用其它制冷剂管件形状。
在图7中示出蒸发器100的部分分解视图，其中该蒸发器由多个冲压金属板105制成。冲压金属板105包括本领域普通技术人员已知的结构，例如开口、绕选定开口的凸台以及凸缘。在对多个冲压金属板105进行了堆叠和铜焊焊接之后，这些冲压金属板限定了上部歧管108、下部歧管110以及液压地连接这些歧管108、110的平坦制冷剂管件106。PCM壳体102插在相邻的平坦制冷剂管件106之间，该PCM壳体容纳相变材料。该PCM壳体102可以由堆叠和铜焊焊接的冲压金属板105上的结构所限定，或者可以单独地制造然后再组装到蒸发器100上。PCM壳体102设置在相邻的平坦制冷剂管件106之间，并且仅仅与平坦制冷剂管件106的上部区域104热接触。PCM壳体102可围绕上部歧管108的一部分，或者作为替代，该PCM壳体102可与上部歧管108分开并且在上部歧管108正下方定位在平坦制冷剂管件106的上部区域104中。诸如金属片112或金属颗粒或纤维之类的导热材料可附加在PCM壳体102中，以提高传热效率。波状散热片114可在PCM壳体102下方插在相邻的平坦制冷剂管件106之间。
参见图8，如上所述，在车辆发动机22停滞的第二操作模式中，在平坦制冷剂管件的上部区域104中，热量从较高温度的蒸气态制冷剂传递至较低温度的冻结相变材料，由此将制冷剂冷却并冷凝成液态。随着较高密度的经冷凝液态制冷剂朝平坦制冷剂管件106的下部116落下，制冷剂吸收来自迎面而来的空气流的热量并膨胀成蒸气态。较低密度的蒸气制冷剂朝向较低温度的相变材料向上回流，在此蒸气态制冷剂随后再冷却并且再冷凝以重复该热虹吸循环。换言之，通过将相变材料定位成仅仅与平坦制冷剂管件106的上部区域104热接触，较低温度的相变材料在平坦制冷剂管件106内包括热虹吸，这使得在空气调节系统的压缩机短时间不起作用时、制冷剂仍能持续地冷却接近的空气流。
参见图9，PCM壳体102可以由两个板件半部103形成，这两个板件半部包括互补结构，以使得PCM壳体102能类似于蛤壳那样进行组装。两个板件半部103可包括凸台和孔，这些凸台和孔与形成平坦管件的金属板的凸台和孔协配，从而限定上部歧管108。两个板件半部103还可包括PCM端口120，这些PCM端口与平坦制冷剂管件106中的通孔117协配，从而限定PCM通道124，用于使相变材料在PCM壳体102之间液压连通。PCM通道124能易于在制造过程中向PCM壳体102充填相变材料，并且还能使相变材料从一个PCM壳体102迁移至另一个PCM壳体，从而解决相变材料由于整个蒸发器100中的热梯度而在PCM壳体中不均匀膨胀的问题。
参见图10，通过将相变材料定位在上部歧管108下方使得相变材料和制冷剂之间能具有较大的导热率。可以对PCM壳体102的长度进行调节，以提供在车辆发动机停滞时实现所期望冷却性能而需要的期望相变材料容积。较佳的是，并不对PCM壳体的整个容积充填相变材料，以解决相变材料在高达200°F的升温下体积膨胀的问题。PCM端口120的位置相对于PCM壳体102定位，以使得相变材料能在PCM壳体之间迁移。如果PCM端口120过高，则相变材料会无法重新分布，且PCM壳体容积在空间之间的均衡也不会发生。相变材料的均匀分布会使得成本最低并且确保优化的操作。如果PCM壳体102具有过多相变材料，则会产生附加的成本；而如果PCM壳体具有过少的相变材料，则会致使在蒸发器100的该部分产生不良的性能。
尽管已参照其示例实施例描述了本发明，但本领域技术人员应当理解，可在不偏离本发明范围的条件下进行各种改变并且用等同构件来替换本发明的各构件。此外，可作出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的说明，而不脱离本发明的实质范围。因此，本发明并不局限于为实施本发明而被考虑作为最佳模式所披露的具体实施例，而本发明会包括所有落入所附权利要求范围的所有实施例。

Claims (14)

1.一种用于空气调节系统(20)的蒸发器(100)，包括：
第一歧管；
第二歧管，所述第二歧管与所述第一歧管隔开并且基本上平行；
多个制冷剂管件(106)，所述多个制冷剂管件液压地连接所述第一歧管和第二歧管，用以使制冷剂在所述第一歧管和所述第二歧管之间流动，其中所述多个制冷剂管件(106)相对于重力方向包括上部区域(104)和下部区域(116)；以及
第一相变材料壳体，所述第一相变材料壳体构造成容纳相变材料，使得所述相变材料与所述多个制冷剂管件(106)中的至少一个制冷剂管件热接触，其中所述多个制冷剂管件(106)中的所述至少一个制冷剂管件与所述相变材料热接触的仅有部分是所述上部区域(104)。
2.如权利要求1所述的用于空气调节系统(20)的蒸发器(100)，其特征在于，还包括第二相变材料壳体，所述第二相变材料壳体构造成容纳相变材料，使得所述相变材料与所述多个制冷剂管件(106)中的至少一个制冷剂管件热接触，其中所述多个制冷剂管件(106)中的所述至少一个制冷剂管件与所述相变材料热接触的仅有部分是所述上部区域(104)。
3.如权利要求2所述的用于空气调节系统(20)的蒸发器(100)，其特征在于，所述第一相变材料壳体与所述第二相变材料壳体液压连通，用于使所述相变材料在所述第一相变材料壳体和所述第二相变材料壳体之间液压连通。
4.如权利要求3所述的用于空气调节系统(20)的蒸发器(100)，其特征在于，所述至少一个制冷剂管件(106)包括两个相对平坦表面，其中所述第一相变材料壳体和所述第二相变材料壳体中的每个分别与所述相对平坦表面热接触。
5.如权利要求4所述的用于空气调节系统(20)的蒸发器(100)，其特征在于，所述至少一个制冷剂管件(106)是在所述相对平坦表面之间具有通孔(117)的平坦制冷剂管件，
所述第一相变材料壳体和第二相变材料壳体包括相变材料端口(120)，
所述平坦制冷剂管件的所述通孔(117)与所述第一相变材料壳体和第二相变材料壳体的所述相变材料端口(120)协配，以限定相变材料通道(124)，所述相变材料通道将所述相变材料壳体进行液压地互连。
6.如权利要求5所述的用于空气调节系统(20)的蒸发器(100)，其特征在于，所述相变材料壳体容纳导热材料。
7.如权利要求6所述的用于空气调节系统(20)的蒸发器(100)，其特征在于，所述导热材料包括金属片。
8.如权利要求6所述的用于空气调节系统(20)的蒸发器(100)，其特征在于，所述导热材料包括金属颗粒或纤维。
9.如权利要求8所述的用于空气调节系统(20)的蒸发器(100)，其特征在于，所述第二歧管相对于重力方向在下方与所述第一歧管隔开。
10.如权利要求9所述的用于空气调节系统(20)的蒸发器(100)，其特征在于，所述多个制冷剂管件(106)的所述上部区域(104)位于所述第一歧管附近，而所述多个制冷剂管件(106)的所述下部区域(116)位于所述第二歧管附近。
11.一种用于空气调节系统(20)的蒸发器(100)，包括：
上部歧管，所述上部歧管沿一方向延伸；
至少一个制冷剂管件(106)，所述至少一个制冷剂管件用于使制冷剂流与所述上部歧管流体连通，其中所述制冷剂管件(106)包括上部区域(104)，所述上部区域在所述上部歧管附近；以及
相变材料壳体，所述相变材料壳体用于存储相变材料，使得所述相变材料与所述制冷剂管件(106)的所述上部区域(104)热连通，使得在所述相变材料的温度低于在所述制冷剂管件中的所述制冷剂的温度时，温度差会诱使所述制冷剂管件内所述制冷剂发生热虹吸。
12.如权利要求11所述的用于空气调节系统(20)的蒸发器(100)，其特征在于，所述相变材料壳体包括第一冲压板(105)和第二冲压板(105)，其中所述冲压板(105)具有互补的结构，使得所述冲压板(105)在装配时彼此协配以限定腔室来容纳相变材料以及至少一个相变材料端口(120)。
13.如权利要求12所述的用于空气调节系统(20)的蒸发器(100)，其特征在于，所述至少一个制冷剂管件(106)是平坦管件，所述平坦管件具有第一表面和相对的第二表面以及位于所述第一表面和所述第二表面之间的通孔(117)，其中所述相变材料壳体与所述第一表面配合，而第二相变材料壳体与所述第二表面配合，使得每个相变材料壳体的相变材料端口(120)与所述通孔(117)协配，来限定用于所述相变材料壳体之间液压连通的相变材料通道(124)。
14.一种用于空气调节系统(20)的蒸发器(100)，包括：
上部歧管；
下部歧管，所述下部歧管与所述上部歧管隔开并且基本上平行；
多个制冷剂管件(106)，所述多个制冷剂管件液压地连接所述上部歧管和所述下部歧管，用于使两相制冷剂在所述上部歧管和所述下部歧管之间液压连通；以及
相变材料壳体，所述相变材料壳体构造成容纳相变材料，其中所述相变材料与所述多个制冷剂管件(106)的至少一个制冷剂管件热接触，使得在所述相变材料的温度低于在所述制冷剂管件中的所述制冷剂的温度时，温度差会诱使所述制冷剂管件内所述制冷剂发生热虹吸。
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