CN104520122A - 单交换器hvac单元和使用单交换器hvac单元的动力机器 - Google Patents

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CN104520122A CN201380035143.XA CN201380035143A CN104520122A CN 104520122 A CN104520122 A CN 104520122A CN 201380035143 A CN201380035143 A CN 201380035143A CN 104520122 A CN104520122 A CN 104520122A
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Abstract

公开的实施例包括HVAC系统和集成HVAC系统的动力机器，在所使用的改进交换器配置中，用一个复合交换器替代传统系统的两个分离的制热交换器和制冷交换器。该复合制热和制冷交换器包括嵌套的制热和制冷管道(406；402)。该管道配置可以用于改进向传导鳍片(410)传递热能的传导效率，并通过增加空气通过交换器的停留时间来改进对流效率。公开的复合交换器允许降低在HVAC单元中使用的总的交换器封装尺寸。

Description

单交换器HVAC单元和使用单交换器HVAC单元的动力机器
技术领域
本公开涉及用于动力机器的制热、通风和空调系统(HVAC)，具体地涉及紧凑结构设备。
背景技术
动力机器包括各种工作车辆，例如滑移装载机、履带式装载机、挖掘机、伸缩式装载机和多用途车辆。各种动力机器包括保护动力机器操作员的车厢，其至少部分限定操作员在操作动力机器时所处的操作员隔间。所公开的操作隔间提供用于向操作员提供具有制热、通风和空调(HVAC)系统的天气受控工作环境的选项。
为动力机器车厢提供制热和制冷的HVAC系统利用热交换器和冷交换器，热交换器和冷交换器中的每个能够处理随后进入操作员环境的空气。当需要热空气对车厢进行加热时，制热液(例如典型的引擎冷却剂)进入制热交换器中的管道，并且在冷却车厢环境时，膨胀气体(例如制冷剂)进入制冷交换器中的管道。各液体经由传导将它们的热势传递给它们各自的交换器管道。在典型的HVAC系统中，该热量传导至空气处理鳍片。然后，HVAC系统将空气推送到管道和鳍片之上，通过热对流来处理空气。
尽管HVAC系统在紧凑结构设备中提供了期望的操作环境，该动力机器的紧凑本质为HAVC系统留下极小的空间，这意味着较小的HVAC交换是优选的。一种降低HAVC封装的物理尺寸的方法是降低交换器的总体积，同时增加与每个交换器连通的空气处理鳍片的数量。然而，这一般通过减少鳍片间距来完成，由于空气流中存在残渣的缘故，本质上会导致鳍片堵塞。另一种降低HAVC封装物理尺寸的方法是增加热交换器和冷交换器之间的气流。然而，由于空气通过交换器时需要足够停留时间来被高效地处理，该方法具有有限效用。此外，推送额外的空气流过交换器可以生成噪声并需要从鼓风扇产生更大功率。
以上讨论内容仅是为一般背景信息提供，并不意图用作辅助确定所要求保护的主题的范围。
发明内容
公开的实施例包括HVAC系统和集成HVAC系统的动力机器，在所使用的改进交换器配置中，用一个复合交换器替代传统系统的两个分离的制热交换器和制冷交换器。该管道配置可以用于改进向传导鳍片传递热能的传导效率，并通过增加空气通过交换器的停留时间来改进对流效率。该复合交换器允许降低在HVAC单元中使用的总的交换器封装尺寸。
在一个实施例中，所述复合交换器具有多个制冷管道，被配置为：耦接至制冷物质源，并选择性地允许所述制冷物质在多个制冷管道中的每一个的内部流动。所述复合交换器还具有多个制热管道，被配置为：耦接至制热物质源，并选择性地允许所述制热物质在多个制热管道中的每一个的内部流动。所述复合交换器还具有多个传导鳍片，所述多个传导鳍片与所述多个制冷管道和所述多个制热管道接触，以在所述多个制冷管道和所述多个制热管道之间传导地传递热能。所述多个制冷管道和所述多个制热管道以嵌套布置放置并相互交错。
在另一个实施例中公开了一种HVAC系统。所述HVAC系统具有：制冷物质源；制热物质源；风扇；以及复合交换器。所述复合交换器具有：多个管道，所述多个管道包括第一组管道和第二组管道，所述第一组管道耦接至所述制冷物质源以选择性接收所述制冷物质源中的制冷物质，所述第二组管道耦接至所述制热物质源以选择性接收所述制热物质源中的制热物质。多个传导鳍片与所述多个管道接触以在所述第一组管道和所述第二组管道之间传导地传递热能。所述第一组管道和所述第二组管道以嵌套的布置位于所述复合交换器中。所述风扇被配置为使空气经过鳍片进入所述复合交换器中。
在另一个实施例中，公开了一种动力机器。动力机器具有操作员隔间；以及制热、通风和空调(HVAC)系统，被配置为向所述操作员隔间提供调节的空气。所述HVAC系统包括：制冷物质源；制热物质源；至少一个可操作输入设备，所述至少一个可操作输入设备能够操纵用于选择制热模式和制冷模式；风扇；以及复合交换器。所述复合交换器具有多个管道，所述多个管道以多行布置，所述多个管道中的每个管道耦接至所述制冷物质源和所述制热物质源之一。多个传导鳍片与所述多个管道接触以在耦接至所述制冷物质的所述多个管道和耦接至所述制热物质的所述多个管道之间传导地传递热能。
提供发明内容以简单的形式介绍概念的选择，并在下文具体实施方式中进一步描述。发明内容不旨在标识所请求保护的主题的关键特征或主要特征，也不旨在用于辅助确定所请求保护的主题的范围。
附图说明
图1是根据公开实施例的具有HVAC系统的动力机器一个示例实施例的示意性透视图。
图2是在图1中示出的动力机器的部分的示意性侧视图。
图3是根据公开实施例的HVAC系统和包括复合制热制冷交换器的外壳的部分的示意性图示。
图4是图3中示出的复合制热制冷交换器的示意性端视图。
图5是图4和图4所示的交换器的部分的图示，并示出嵌套且交错的制热和制冷管道相对于传导鳍片的方向。
图6是与图4类似的示意性端视图，并示出增加空气翻滚的特征。
具体实施方式
这里公开的概念不将其应用限制于在以下描述中阐述或以下附图中示出的组件的结构和布置的细节。相反，能够在以下讨论的示意性实施例之外的各种实施例中实现和实施公开的概念。这里使用的术语用于描述目的，而不应当被认为是限制性的。使用“包括”、“包含”、“具有”及其本文中的变体意味着包括以下列出的项目及其等同物以及附加的项目。除非以其他方式指定或限制，术语“安装的”、“连接的”、“支持的”、“耦合的”及其变体被广泛使用，并包括直接和间接两者的安装、连接、支持和耦合。
在动力机器(特别是紧凑结构装置)中，用于放置处理和调节空气的HVAC制热制冷交换器的空间是有限的。以下讨论的公开实施例通过用单个复合交换器替代两个分离的制热交换器和制冷交换器，提供在HVAC单元中使用的降低了封装尺寸的交换器。改进的复合交换器消除了不同的制造配置，因为所有制热封装和/或制冷封装可以使用相同的单交换器。复合交换器提供空间和成本的节省。
图1示出了以滑移装载机作为动力机器示例的形式的动力机器10，在动力机器上有利地使用本公开的HVAC系统复合交换器。然而，公开的实施例不限于在滑移装载机上使用，相反，公开的实施例包括在任意动力机器的HVAC系统中使用交换器。例如，公开的交换器可以用于动力机器(例如履带式装载机、挖掘机、伸缩式装载机、多用途车辆、及其他动力机器)中。
动力机器10包括被以轮子14为形式的牵引单元支撑的框架12，并轮子14通过合适的动力火车(未示出)驱动的。动力火车可以包括进而由液压动力源驱动的液压发动机。其他动力机器可以使用其他牵引单元，如履带。以安装在引擎隔间18(其位置在图1中大致示出)中的引擎为形式的动力源位于框架12内并总体上位于车厢或操作员外壳20的后方，车厢被支撑在框架12上并至少部分地限定操作员隔间30。装载机具有能够在动力作用下提升或降低的枢转臂27。臂27支撑工具斗29，其他工具也可以附接至臂27。
操作员隔间30总体上能够被车厢20包围起来，车厢20具有一对相对的侧壁40和42、顶部44和后部46(包括后窗48和后墙34)(如图2中所示)。在动力机器的前侧，车厢20具有允许进入和离开操作员隔间30的开口(图1中未示出)，操作员隔间30总体上被限定为由侧壁40和42、顶部44、后部46及后壁34包围的空间。此外，操作员隔间30可以在车厢20下方和动力机器的框架12部分的内延伸。在一些实施例中，门(图1中未示出)可转动地附接至车厢，使得当转动到关闭位置时，进入和离开开口被覆盖或大致上被覆盖。
车厢20的侧壁40和42被示为用侧板(优选用钢)制成，在侧板上形成多个穿透开口。此外，透镜窗户可以附接至侧板。备选地，侧壁40和42可以不是图1所示出的开口样式，而是可以替代地具有被透明窗户覆盖的大开口。当装配有门和窗的车厢20附接到侧壁40和42时，操作员隔间总体上是封闭的。操作员89座位位于操作员隔间30中，在图2中用虚线示出其轮廓。
图2提供了车厢20的剖面图，示出操作员隔间30部分和安装在车厢20后面的HVAC外壳32。HVAC系统壳体32容纳包括根据公开实施例的复合交换器的HVAC系统33。包括主HVAC系统风扇31以迫使调节的空气通过一个或多个导管进入操作员隔间。除了使用这里公开的复合交换器之外，在示意性实施例中，可以根据2001年5月1日颁给Asche等人的美国专利No.6，223，807中公开的HVAC系统来配置HVAC系统33。然而，公开的实施例不限于示出的特定HVAC系统壳体和/或引擎隔间配置。相反，这些示出内容是作为非限制示例而提供的。例如，在所有类型的动力机器中，HVAC系统33、风扇31和系统壳体不一定位于车厢20后方或位于图2中所示的特定位置。
图3示出图2所示的包括HVAC系统33和风扇31的HVAC壳体32的示意性剖面图。还示出了根据一个示意性实施例的HVAC系统33复合交换器300。如下文中更详细描述的，复合交换器300包括如下文中的描述及图4所示的嵌套在一起的制热管道和制冷管道。因为复合交换器300的设计，HVAC系统和壳体32可以更小从而允许其他系统或组件利用空间，而如果使用常规两个交换器的配置，则该空间不可用。如图3所示，空气流302被风扇31(或其他风扇)吸入，然后向上流过复合交换器300并在此被处理。所得到的已处理的空气304被拉入风扇组件31，然后通过如图所示的开口306离开HVAC系统。
图4示出复合交换器300中制热管道和制冷管道的嵌套配置的示意性截面图。术语“嵌套”是指制冷管道402和制热管道406相互交织的布置，这与以其他形式分成两个分离的组不同。如图4所示，由于制冷管道402和制热管道406以逐行交替的方式布置，它们是嵌套的。在备选的实施例中，可以布置制热管道和制冷管道使得以其他方式例如通过让制热管道和制冷管道在相同行中来使它们相互交织。管道的行彼此相互交错，这意味着至少一些管道在列方向是不对齐的，而是在连续行中相对于管道横向偏移。在一些实施例中，与图5所示的布置不同，一些或全部管道在行上不对齐。各实施例可以使有一些或全部行相对于复合交换器中其他行中的任意一个相互交错。针对示意性的目的示出一个示意性实施例，其中制冷管道402用阴影线表示，制热管道406示出为没有阴影线。经由在耦合软管或连接414处与制冷管道402连通的源(未示出)，选择性地向制冷管道402提供制冷物质。制热液源(如引擎冷却剂)经由耦合软管或连接418选择性地向管道406提供制热液。
通过将制热和制冷交换器组合为具有交错布置的制热管道406和制冷管道402的复合交换器300，可以更紧密地布置管道行，从而可以为特定型号动力机器的全部HVAC配置提供更小标准交换器。此外，管道402和406通过导热金属鳍片410相接触。鳍片410的方向与管道402和406相垂直，如图5所示。鳍片410优选由高热导材料(如铝或其他类似金属)制成。气流从鳍片410旁流过并绕管道402和406翻滚来提供改进的热对流传输，以处理用于调节车厢20内部的空气。
在示意性实施例中，在任意一个时刻，至多向一组嵌套管道(即制冷管道402或制热管道406)提供制热物质或制冷物质。然后，相应的管道将热能传导至鳍片410和另一组未被提供制热或制冷物质的管道406或402，根据具体情况，它们将趋于达到和被提供制热或制冷物质的管道的相同热势或冷势，从而提供额外的表面区域以处理被推过交换器300的流动空气302。然后，所有这些管道以类似方式通过传导将它们各自势能传递给制热/制冷鳍片410。最终，通过交换器300的流动空气302通过对流成为已正常处理的流动空气。
公开的复合交换器300的交错配置使其不易堵塞，其也不要求任何额外的空气流或风扇功耗是有效率的(因为交错设计还增加空气在经过交换器时翻滚程度，从而允许“原始”或未处理空气成为处理过的)，还允许小的多的总封装尺寸。很多制热或制冷交换器低效的原因是，空气以相对直线地流过交换器核心，而不和交叉管道相交。这就减小了与交换器管道实际接触的空气量。因而，由于趋肤效应，与鳍片接触的空气同样减少。
大部分的气流在通过交换器时不和交叉管道相交的传统分离的制热交换器和制冷交换器相反，图6说明性地示出交换器300的配置的优点。在交换器300中，制冷管道402和制热管道406逐行交替地嵌套并沿着交换器宽度方向交错，几乎没有任何的气流302能够直线通过交换器且不被管道阻挡流动路径，并使空气转向导致其翻滚通过交换器。为使空气更充分地被处理，置于气流中用于增加空气翻滚的额外交叉管道在交换器中为空气提供稍微更长的停留时间以使其变得被更加充分处理。
在一些实施例中，将增加空气翻滚引起的对流热能传递的改进和上文讨论的对流热能传递的改进相结合，以允许使用更少的制热管道和制冷管道而不牺牲制冷或制热的热势。这允许与分离的制热交换器和制冷交换器的组合相比，复合交换器的大小进一步减少。例如，在一个示意性实施例中，与分离的制热交换器和制冷交换器的组合尺寸相比，复合交换器300的体积从405立方英寸减小为246立方英寸。
通过将单个交换机用于制热功能和制冷功能，上文描述的实施例提供重要的优点。可以实现交换器的效率的大幅改进，从而允许交换器300的尺寸比分离的制热交换器和制冷交换器的组合尺寸小。该效率的增加部分地是因为热传递效率在传导和对流之间的差异。例如，铝的热传递系数“k”是117Btu/ft2-°F。空气的热传递系数“k”仅为.014Btu/ft2-°F。这表明铝导热比空气(117/.014)快大约8,357倍。通过嵌套交换器300的管道402和406，在管道402和406和鳍片410之间经由传导传递更多能量，因而提高效率。
尽管已经参考优选实施例描述了本公开的概念，本领域技术人员将认识到在不脱离本公开的精神和范围的前提下可以对形式和细节作出改变。

Claims (17)

1.一种复合交换器，所述复合交换器用于动力机器中的制热、通风和空调HVAC系统，所述复合交换器包括：
多个制冷管道，被配置为：耦接至制冷物质源，并选择性地允许所述制冷物质在多个制冷管道中的每一个的内部流动；
多个制热管道，被配置为：耦接至制热物质源，并选择性地允许所述制热物质在多个制热管道中的每一个的内部流动；以及
多个传导鳍片，所述多个传导鳍片与所述多个制冷管道和所述多个制热管道接触，以在所述多个制冷管道和所述多个制热管道之间传导地传递热能；
其中所述多个制冷管道和所述多个制热管道以嵌套布置放置。
2.根据权利要求1所述的复合交换器，其中，所述制冷管道和所述制热管道是嵌套的，使得所述复合交换器具有交替的制冷管道行和制热管道行。
3.根据权利要求2所述的复合交换器，其中，第一制冷管道行的管道横向地布置在第一端和第二端之间，并且第一制热管道行中的至少一个管道相对所述第一制冷管道行中的制冷管道是横向交错的。
4.根据权利要求1所述的复合交换器，其中，所述多个制热管道和所述多个制冷管道被布置为第一行和第二行，所述第一行具有从所述多个制热管道和所述多个制冷管道中选择的第一管道集合，所述第二行具有从所述多个制热管道和所述多个制冷管道中选择的第二管道集合，所述第一行中的管道横向布置在所述复合交换器的第一端和第二端之间，并且所述第二行中的管道中的至少一个是相对所述第一行中的管道横向交错的。
5.根据权利要求1所述的复合交换器，其中，多个传导鳍片相对于所述多个制热管道和所述多个制冷管道是垂直朝向的。
6.根据权利要求1所述的复合交换器，其中，所述多个制冷管道和所述多个制热管道被布置为多行，所述多行中的每一行具有从所述多个制热管道和所述多个制冷管道中选择的管道的集合，所述多行中的多个中的管道被横向地布置在所述复合交换器的第一端和第二端之间，并且所述多行中的多个中的管道相对所述多行中的其他行中的管道是横向交错的。
7.一种动力机器中的制热、通风和空调HVAC系统，所述HVAC系统包括：
制冷物质源；
制热物质源；
风扇；以及
复合交换器，包括：
多个管道，所述多个管道包括第一组管道和第二组管道，所述第一组管道耦接至所述制冷物质源以选择性接收所述制冷物质源中的制冷物质，所述第二组管道耦接至所述制热物质源以选择性接收所述制热物质源中的制热物质；
多个传导鳍片，所述多个传导鳍片与所述多个管道接触以在所述第一组管道和所述第二组管道之间传导地传递热能；以及
其中所述第一组管道和所述第二组管道以嵌套的布置位于所述复合交换器中；以及
其中，所述风扇被配置为使空气经过鳍片进入所述复合交换器中。
8.根据权利要求7所述的HVAC系统，其中多个管道被布置为包括第一管道行、第二管道行和第三管道行的行，所述第一管道行具有来自所述第一组管道和所述第二组管道中的一组的管道，所述第二管道行和第三管道行具有来自所述第一组管道和所述第二组管道中另一组的管道，所述第一行与所述第二行和所述第三行相邻。
9.根据权利要求8所述的HVAC系统，其中第二管道行中的管道中的至少一个是相对于所述第一行横向交错的。
10.根据权利要求9所述的HVAC系统，其中，所述第二管道行中的管道中的至少一个相对于所述第三行是横向交错的。
11.根据权利要求9所述的HVAC系统，其中，所述多个传导鳍片与所述多个制冷管道和所述多个制热管道是垂直朝向的。
12.一种动力机器，包括：
操作员隔间；以及
制热、通风和空调(HVAC)系统，被配置为向所述操作员隔间提供调节的空气，所述HVAC系统包括：
制冷物质源；
制热物质源；
至少一个可操作输入设备，所述至少一个可操作输入设备能够操纵用于选择制热模式和制冷模式；
风扇；以及
复合交换器，所述复合交换器具有多个管道，所述多个管道以多行布置，所述多个管道中的每个管道耦接至所述制冷物质源和所述制热物质源之一，使得多个传导鳍片之一与所述多个管道接触以在耦接至所述制冷物质的所述多个管道和耦接至所述制热物质的所述多个管道之间传导地传递热能。
13.根据权利要求12所述的动力机器，其中，所述多个传导鳍片相对于所述多个管道是垂直朝向的。
14.根据权利要求12所述的动力机器，其中，所述复合交换器中的行中的至少一个相对于另一行是横向交错的。
15.根据权利要求12所述的动力机器，其中，所述多行被布置为每个管道耦接至所述源制冷物质的至少一个管道行和每个管道耦接至所述源制热物质的至少一个管道行。
16.根据权利要求15所述的动力机器，其中，所述行是嵌套的使得所述复合交换器具有耦接至所述制冷物质和耦接至所述制热物质的交替的管道行。
17.根据权利要求12所述的动力机器，其中，所述复合交换器的所述多个传导鳍片中的多个与所述多个管道接触，以在耦接至所述制冷物质的所述多个管道和耦接至所述制热物质的所述多个管道之间传导地传递热能。
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