CN108027215A - 热交换器和车辆空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有平行引导的扁平管(1a，1b)的布置的热交换器，所述扁平管旨在引导蒸发的冷却剂。翅片(2)布置在管之间，所述翅片在垂直于管的路线的方向上形成空气引导槽，并且因此限定待冷却的空气的流动方向。所述管形成至少两个在空气流动方向(3)上彼此前后布置的组件(11)。组件(11，12)在冷却剂的管(1a，1b)的自由内横截面积(W1，W2)上不同。

Description

热交换器和车辆空调系统

技术领域

本发明涉及一种用于车辆空调系统的热交换器，通过该热交换器，特别是空气借助蒸发的冷却剂来冷却，其中为了提高效率，热交换器的设计考虑到这样的事实：蒸发时的冷却剂的密度的降低导致进一步的吸热能力降低。这是通过扁平管形成具有用于冷却剂流动的单个管的不同横截面面积的组件来实现的。在本申请中，术语“热交换器”与“蒸发器”或“蒸发装置”同义使用。

本发明还涉及一种车辆空调系统。

背景技术

特别是用于车辆的空调系统通常配备有热交换器，其中通过减压被冷却和液化的冷却剂在细管中蒸发，从而从流过容纳冷却剂的管道的空气中提取热量，从而降低空气的温度。

为此，在现有技术中，使用不同设计的一系列热交换器。特别是使用圆形和扁平管，并且在收集器之间平行布置的蛇形管或管。现有技术中的典型名称是“板和翅片”，“平行流动”，“蛇形类型”和“管和翅片”。

车辆内的空调系统的热交换器必须符合多项要求。特别是，它们必须能够在短时间内传输高达9千瓦的加热功率；它们必须尽可能小，以便它们可以布置在车辆的仪表板下方；冷却剂流量可能高达10公斤/分钟；对于空气路径，压降应尽可能低。此外，因为飞溅的水(尤其是作为蒸发器上的冷凝水发生)可以被传送到加热器，在那里它蒸发并且随后冷凝在(相对)冷的风挡上，将其雾化，因此飞溅水保护是必要的。因此，来自待冷却的空气的冷凝水必须可靠地排出，并且不得甚至经由空调系统暂时进入乘客隔室。

整体上这些要求可以被认为是非常高的，近几年和几十年来导致了一系列的优化。带有平行引导扁平管的热交换器已变得越来越普遍，因为最终这些最适合车辆的要求。

US2007/0215331A1公开了一种热交换器，其中冷却剂在相同设计的平行扁平管中被引导，下降和上升，其中在后部的下降通道中，冷却剂首先遇到(已经冷却的)出口空气并且最后，在前面的上升通道中，遇到(较暖)入口空气(反向流过程)。没有考虑到冷却剂由于其密度减小而在通过热交换器的路线上失去热吸收能力的事实。

EP 0 325 844 A1中的热交换器也是如此。这里空气流过相同设计的六个组件，并排列在一起。由于组件之间未使用的空间，这种布置不太有效，并且此外由于多个管和管连接件也成本密集。为了考虑冷却剂的吸热能力的密度依赖性，可以这样来操作该布置，使得它首先并行地通过具有管的两个组件，然后在冷却剂路径上进一步平行地通过剩余的四个组件。EP 0 325 844 A1没有讨论冷却剂的这种引导。

DE 195 15 526 C1公开了一种热交换器，其在反向流过程中总共六个通路(pass)冷却空气。这些通路包括许多统一设计的扁平管。这里考虑冷却剂的吸热能力的密度依赖性，因为在连续多个通路中，形成所述多个通路的扁平管组的数目从2个单调地增加到5个，因此总的截面冷却剂流量逐步增加，其中冷却剂的流速相应地降低(逐渐循环)。这里的缺点在于，在压力下降较高或过热的操作时，在冷却剂出口处，在反向流系统中与在同向流操作中相比会存在与入口空气温度的较小的温差。

发明内容

本发明从该现有技术开始，其目的是要提供附加参数，该附加参数可以被影响用于优化热交换器并且可以用于减慢出口区域中的冷却剂流，以便由此增加可实现的温度差异，并因此在保持相同外部尺寸同时增加热交换器的有效性。

该目的在本发明的第一方面中通过具有以下特征的热交换器来实现。

热交换器具有冷却剂入口和冷却剂出口，平行引导的扁平管用于引导蒸发的冷却剂。翅片被布置在的管之间，该翅片在垂直于管道路线的方向上形成空气引导槽，并由此限定流过的空气的流动方向。所述管形成至少两个组件，冷却剂连续流过所述组件并且在空气流动方向上彼此相继布置，并且这些组件在组件的各个管的内部横截面面积的大小上不同。邻近冷却剂入口的管比邻近冷却剂出口的管具有更大的横截面积。

因此，为了优化非常不同设计的热交换器，提供了附加参数，即管的内部自由横截面面积的变化。此外，还使用了进一步的知识，即分成两个或几个不同的管类型对于实际用途是足够的。此外，由于不同的管，与如在现有技术中相同的管的数量的阶梯式增加相比，随着流动长度的增加，管横截面的增大可以更精确地适应冷却剂的更低的密度。

更准确地与现有技术中相比，本发明的实施例利用该优化参数以考虑到这样的事实，即在冷却剂通过热交换器时，蒸发时冷却剂的减少密度导致进一步减小吸热能力。

在本发明的第一实施例中，热交换器具有下部收集器和上部收集器，每个收集器由基部和盖组成。热交换器的冷却剂入口布置在其中一个收集器上，冷却剂出口布置在同一收集器上或另一个收集器上。扁平管的端部焊接到这些收集器的开口中。两个收集器中的每一个形成仅一个区域或通过分隔壁彼此分开的多个区域，使得管形成至少两个冷却剂连续流过的通路，其中至少一些通路在管的横截面方面不同并且在一些情况下还在冷却剂流过的管的数量方面不同。在热交换器的冷却剂出口的通路中，管的各个横截面的总和大于在冷却剂入口处开始的通路的总和。

通过至少在出口之前的最后一个通路中使用具有较大横截面的扁平管来用于流动的冷却剂，可以实现在该区域中冷却剂的压降下降，这对于预定出口压力允许与进入的空气有较低入口压力和较低的入口温度，因此较大的温差。在通过热交换器期间，由于蒸发，冷却剂密度不断降低，因此为了吸收相同的热量(渐进式循环)需要更大的体积。然而，在该实施例中，与现有技术相比，该更大的体积由更大横截面的管提供，而不像现有技术那样通过增加平行管的数量同时提供更多翅片区域，为此需要更大的热交换量。

总体而言，这种优化不仅导致通流空气更好的冷却，而且由于压降降低，导致露点更低，因此导致空气更好地干燥。

优化计算已经表明，在本发明的该实施例中，第二组件的管的横截面面积应该是第一组件的管的横截面面积的1.1至2.5倍，特别是1.2至1.6倍。

有利地、另外并且补充地，在本发明的另一个实施例中，在流动方向上彼此前后布置的组件的管的数量可以不同，并且因此分配给该流的翅片的面积可以不同。以这种方式，可以独立于冷却剂的流动横截面来优化有效翅片区域。

优选地，热交换器的所有构件在单个工作过程中经济地焊接。

在本发明的另一个特别简单的实施例中，热交换器精确地由两个通路组成，其中第一通路具有带较小横截面积的管，而第二通路具有带较大横截面积的管，并且其中，每个通路的管由具有相互均匀横截面的管的组件形成。即使在这种简单的设计中，由于供热而导致的冷却剂的密度减小可以有利地以良好的近似值考虑在内。

在另一个实施例中，如果管形成多于两个的冷却剂连续流过的通路，则可以进一步优化冷却剂流。在此，通路的流动横截面，作为对通路有贡献的管的数量和该通路的相同管之一的横截面积的乘积计算，在冷却剂流动方向上形成单调上升的顺序。

本发明的另一方面涉及制造具有不同额定功率的多个热交换器。这可以被优化，因为在具有较高性能的热交换器中的管组件被用作具有较小横截面面积的组件，并且在较低性能的热交换器中的相同组件被用作具有较大横截面积的组件。

其他方面涉及根据本发明的热交换器的使用。热交换器可以被优化，因为冷却剂和空气流之间的热交换发生在同向流中，并且因此在安装时，面向冷却剂入口的热交换器的一侧正面向空气入口。然而，如果优化发生在反向流的情况下，则在安装时面向冷却剂入口的热交换器的一侧正面向空气出口。

与现有技术相比，根据本发明的热交换器的效率提高特别有助于满足在车辆中的空调系统中使用的特别高的要求。

附图说明

图中示出：

图1是根据本发明的热交换器的实施例的透视图；

图2是具有两个通路的本发明的第一实施例的横截面；

图3是图2中选取部的放大图，其示出了管的不同横截面；

图4是本发明的四个通路的实施例的横截面；

图5是本发明的另一个四个通路的实施例的横截面；和

图6是根据图5的热交换器的上部收集器的横截面。

具体实施方式

图1至3示出了根据本发明的用于车辆的空调系统的蒸发器的热交换器的第一实施例。热交换器具有多个在图1中竖直布置的平行引导的扁平管1，其旨在引导蒸发的冷却剂。

翅片2被焊接在相邻的管之间并在垂直于管1的路线的方向上形成空气引导槽，其在图1中从左后方向右前方延伸。空气沿着箭头3所示的这个方向流动，然而其主要是热交换器的结构，其确定空气流是否取向为与热交换器的布局相符，即如图1中所示的，在冷却剂流的同向流或在反向流中。

收集器4和5被布置在热交换器的顶部和底部并且具有其中焊接管1的端部的开口(图1中未示出)，其中两个收集器中的每一个可以形成通过分隔壁(也在图中未示出)彼此分离的多个区域，使得管形成至少两次冷却剂连续流过的通路。收集器4，5各自包括沟槽状基部和封闭相应腔室的盖。

在最简单的情况下，图1中的上部收集器4被单个分隔壁分隔成冷却剂经由入口8流入的后部区域和冷却剂经由出口9流出的前部区域，而下部收集器5作为通路的连接室，不需要分隔壁。结果，形成冷却剂连续流过的两个通路，即，在图1中，具有从上到下的流动方向的第一组件11中的后通路和具有从下到上的流动方向的第二组件12中的前通路。通常，收集器4和5的腔室7总是首先包含冷却剂从其流入腔室的管的开口，其次是冷却剂流入的管的进一步入口，其中这些管不仅包括一些扁平管1，而且在一些情况下还包括冷却剂的入口8或出口9。

图2示出了图1中的热交换器的横截面。很明显，垂直于图平面延伸的管1形成两个在空气流动方向3上彼此前后布置的组件11和12，即顶部较小的组件11和底部较大的组件。组件的尺寸由位于流动方向3上并形成单元15的管1的数量决定。在图2中，有八个管，每个管在第一较小组件11中形成一单元15(在流动方向上的第一个)以及第二较大组件12中的十一个单元15(流动方向的第二个)(也参见图3)。

图3示出了图2的选取部放大图，其进一步阐明了这一点。仅在此显而易见的是，组件11和12由具有不同的内横截面积的管1a，1b组成。热交换器的冷却剂出口9引导到的组件导致使用冷却剂管1a，每个冷却剂管1a的横截面面积W1大于与冷却剂入口8相邻的组件12的横截面面积(管1b；横截面面积W2)。

横截面的差异只不过很小。组件12和11的管的横截面面积W2/W1的优选比例为1.1至2.5，特别是1.2至1.6。在多于两个组件的情况下，对于每个组件，可以选择位于其相邻组件的横截面值之间的管的横截面值。

同样明显的是，管1a，1b的宽度是相同的。由于结构原因，每个单元15的第一管和最后的管1a，1b在外侧略微圆化。除了这些最后的管之外，每个单元15的其他管1a，1b具有相同的内部横截面积W1或W2。

在图2和图3的情况下，由箭头3指示的同向流过程被优化，因为在整个热交换器上平均而言，冷却剂和空气之间出现的温差大于反向流过程。在其他构造中是否优选反向流或同向流，必须在每种情况下重新检查。

图4示出了具有四个通路P1，P2，P3和P4的本发明的实施例。P1和P2具有较小横截面积的管，并且P3和P4具有较大横截面积的管。该实施例特别适用于过热操作。在此，冷却剂流过四个管，两倍于1a和两倍于1b。在此布置中，优化表明反向流过程是优选的，这里从下面用箭头3表示。否则在此再次地，结合图2和图3解释的特征适用于例如横截面比率和管宽度。

图5示出了本发明的另一实施例，其具有连续流动的四个通路P1至P4，其中P1，P2和P3横向于流动方向3彼此相邻并且整体上在流动方向上被P4完全覆盖。从入口8进来的三次通路P1到P3横向于具有较小横截面W1的管的区域11，在气流方向3上每个单元15包括十二根管(在图5中示出为彼此上下叠置)。第一通路P1包含八个单元15的相互靠近的管，第二通路P2具有十一个单元15的管，并且第三通路P3具有十五个单元15的管。第四通路P4利用整个区域12，每个单元15具有九个管，并且在那里全部34个相邻单元15具有带有所使用的管的较大横截面W2的管。因此所述通路的总横截面积如下：

第一通路：8*12*W1＝96*W1

第二通路：11*12*W1＝132*W1

第三通路：15*12*W1＝180*W1，和

第四通路：34*9*W2＝306*W2＝459*W1

其中对于最后的转换，假设在通路P4和P1至P3两者中的管1的横截面面积的比率是W2/W1＝1.5。因此，冷却剂流动方向上的通路的流动横截面形成单调上升的序列，以便考虑到冷却剂的吸热能力下降：在每个通路中，冷却剂比前一个通路时更慢地流动，并且从而补偿较低的吸热能力。整个区域12用于第四通路，总共有306个管，允许最大的冷却集中在靠近冷却剂出口处，这对于该实施例导致了最佳的同向流冷却。

因此，本发明允许实施以下知识，即在通过蒸发器时，冷却剂中的气体比例增加并且其密度在恒定压力下降低。然而，冷却剂的吸热能力与密度成比例，以使得为了恒定且有效的热传递，需要增加体积并且因此增加冷却剂流的横截面。在现有技术中，这是通过附加通道来实现的，然而通过这些附加通道所需的空间增加了热交换器的尺寸。根据本发明，由于增加的管横截面，可以至少部分地节省这个额外的空间，仅提供附加的管容积，但不安装附加的管长度和翅片。具有相同功率的热交换器因此可以构造得更小，或者它们对于相同的尺寸更有效地工作。而且，在冷却剂出口处的传热增加，特别是在稍微过热的情况下，意味着冷却在同向流中比在反向流中会是更有效的。

图6示出了图5的上部收集器4，其内部被分隔壁6分成腔室7，以便将冷却剂流沿流动方向分成越来越多的数量。

Claims (13)

1.一种热交换器，具有冷却剂入口(8)和冷却剂出口(9)，以及具有平行引导的扁平管(1；1a，1b)，所述扁平管用于引导蒸发的冷却剂，

以及具有布置在管(1；1a，1b)之间的翅片(2)，该翅片在垂直于管(1)的路线的方向上形成空气引导槽并且因此限定流过空气的流动方向(3)，

其中，所述管(1)形成至少两个组件(11，12)，冷却剂连续流过所述组件并且所述两个组件在空气流动方向(3)上彼此前后布置，

以及所述组件(11，12)在组件的相应管(1a，1b)的内横截面积(W1，W2)的尺寸方面不同，和邻近冷却剂出口(9)的管(1a)比邻近冷却剂入口(1b)的管具有更大的横截面积(W2)。

2.根据权利要求1所述的热交换器，具有上部和下部收集器(4，5)，所述管(1)在该上部和下部收集器(4，5)之间延伸，其中具有平行流的管(1)形成通路(P1-P4)并且冷却剂连续流过所述通路(P1-P4)，其中冷却剂入口(8)和冷却剂出口(9)优选地布置在收集器(4，5)中的一个上。

3.根据权利要求2所述的热交换器，其特征在于，所述收集器(4，5)具有开口，所述管(9)的端部被紧密焊接在所述开口中。

4.根据权利要求2或权利要求3所述的热交换器，其特征在于，所述两个收集器中的每一个形成腔室(7)或通过分隔壁(6)彼此分离的多个腔室(7)，使得所述管(1；1a，1b)形成连续流过冷却剂的至少两个通路(P1-P4)。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述通路(P1-P4)在管(1)的数量和/或冷却剂流过的管(1a，1b)的横截面方面不同，其中在邻近冷却剂出口(9)的通路中，有助于该通路的管(1a)的横截面面积(W2)之和比在邻近于冷却剂入口(8)的通路中具有更大的值，特别是1.1至2.5倍，进一步特别是1.2至1.6倍。

6.根据权利要求3或4所述的热交换器，其特征在于，在所述孔气流方向(3)上彼此前后布置的管(1a，1b)的数量在所述第一组件(11)和所述第二组件(12)中是不同的。

7.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，管(1a，1b)精确地形成冷却剂连续流过的两个通路，其中第一通路具有较小横截面积(W1)的管(1b)和第二通路具有较大横截面面积(W2)的管(1a)。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的热交换器，其特征在于，所述管(1)形成冷却剂连续流过的两个以上的通路(P1-P4)，并且在冷却剂流动方向上，所述相应通路的横截面面积之和形成单调上升的顺序。

9.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，组件(11，12)的管(1)具有相同的横截面面积。

10.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，组件(11，12)具有带连续流的多个通路(P1-P4)，并且连续通路具有比先前通路更多的管(1)，使得管的横截面面积的总和增加。

11.根据前述权利要求中任一项所述的热交换器，其特征在于，若干管(1)连接在一起成为结构单元(15)，其中，所述单元的横截面具有椭圆形形式并且所述翅片(2)被布置在相邻单元(15)之间。

12.一种具有根据权利要求1至11中任一项所述的热交换器的车辆空调系统，其特征在于，空气和冷却剂是同向流的，并且所述热交换器的面向所述冷却剂入口的一侧被布置成面向所述空气入口。

13.一种具有根据权利要求1至11中任一项所述的热交换器的车辆空调系统，其特征在于，空气和冷却剂是反向流的，并且所述热交换器的面向所述冷却剂出口的一侧被布置成面向所述空气入口。