CN110281732A - 汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置 - Google Patents

汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置，包括与汽车空调蒸发箱上冷凝水排水管连通的储水箱以及与储水箱连通且根据车速自动调整喷射方向的雾化喷嘴，雾化喷嘴通过合页式喷嘴连接件固定于冷凝器上，合页式喷嘴连接件包括固定页片以及与其铰接的迎风页片，迎风页片和固定页片在内角侧通过弹性件相互支撑，迎风页片中部设置嵌槽以容纳雾化喷嘴，雾化喷嘴可拆卸安装于嵌槽中，迎风页片承受不同车速工况下空气的压力，根据该压力通过弹性件调节雾化喷嘴的喷射方向。本发明提出的汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置，可回收利用空调制冷产生的冷凝水，将其雾化用于强化冷凝器的换热性能，以提高水资源利用率。

Description

汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置
技术领域
本发明涉及汽车零部件结构技术领域，尤其涉及一种汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置。
背景技术
汽车行业是世界上规模最大、最重要的产业之一，由于可以缓解燃油危机、有效降低温室气体排放，纯电动汽车得到越来越大的推广和应用。作为提高汽车乘坐舒适性的重要部件，汽车空调已被广大汽车制造企业及消费者认可。至2013年8月，国内轿车空调装置率已接近100％。
纯电动汽车动力系统和其他辅助系统都需要电能供应，整车运行过程中的电能消耗问题成为其发展面临的制约。相关研究指出，空调系统是比任何其他系统消耗更多功率的配件，车辆开空调行驶要比不开空调增加约15％的功率消耗。
由于汽车乘员舱是相对密封的，为了保证新风需求，空调系统工作会冷却一部分室外新风。夏季，乘员舱外温度高湿度大，汽车空调在制冷时会在蒸发器上产生一定量的冷凝水。根据相关研究及计算表明，一款制冷量3500W，循环风量600m3/h的空调稳定工作时，冷凝水将以2.35kg/h的流量流失。现在的汽车对于冷凝水的处理是直接排掉，造成了水资源的浪费。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置，旨在回收利用空调制冷产生的冷凝水，将其雾化用于强化冷凝器的换热性能，以提高水资源利用率，降低纯电动汽车空调系统电能消耗。
为实现上述目的，本发明提供一种汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置，包括与汽车空调蒸发箱上冷凝水排水管连通的储水箱以及与储水箱连通且根据车速自动调整喷射方向的雾化喷嘴，其中，所述雾化喷嘴通过合页式喷嘴连接件固定于冷凝器上，合页式喷嘴连接件包括固定页片以及与其铰接的迎风页片，迎风页片和固定页片在内角侧通过弹性件相互支撑，迎风页片中部设置嵌槽以容纳雾化喷嘴，雾化喷嘴可拆卸安装于嵌槽中，迎风页片承受不同车速工况下空气的压力，根据该压力通过弹性件调节雾化喷嘴的喷射方向。
优选地，所述弹性件为校正弹簧，该校正弹簧的一端与固定页片固定连接，校正弹簧的另一端通过弹簧挂钩与迎风页片连接。
优选地，所述迎风页片上通过活动铆接的方式设置有半环形状的夹片，夹片一端通过锁定压片将其固定于迎风页片上，雾化喷嘴部分容纳于嵌槽中且凸出于嵌槽外的部分通过套有夹片以将其固定。
优选地，所述储水箱的进水口与蒸发箱的冷凝水排水口通过胶接密封，储水箱的出水口通过导水软管与电驱动水泵连通，电驱动水泵通过管路与雾化喷嘴连接。
优选地，所述储水箱内部含有液位传感器，该液位传感器还与电驱动水泵和中央控制器电连接以发送信号作为电驱动水泵的输入与控制信号。
优选地，所述电驱动水泵还与汽车蓄电池电连接。
优选地，所述迎风页片在未受空气外力的初始位置时平行于冷凝器的迎风面。
优选地，两所述雾化喷嘴通过固定于冷凝器对角上的合页式喷嘴连接件布置于冷凝器对角线位置。
优选地，所述校正弹簧的刚度k，嵌槽位置参数l以及迎风页片的面积S满足以下关系：
其中，v0为喷嘴的喷射速度，单位m/s；α为嵌槽的中心线与迎风页片的表面所成的夹角，单位°；v为车速，单位m/s；L为雾滴群喷射速度减为零时距离冷凝器迎风面的垂直距离，单位m；ρA为空气密度，单位kg/m3；H为雾滴群喷射速度减为零时在冷凝器迎风面方向上运动的距离，单位m；l为嵌槽在迎风页片平面上投影的长度，单位m。
优选地，所述迎风页片转动角度范围为0°～50°，在未受流动空气压力时嵌槽的中心线与迎风页片的迎风表面所成的夹角α为8～20°。
本发明提出的汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置，具有以下有益效果：
1.在蒸发器的冷凝水排水口外设置储水箱，实现了该部分水资源的回收利用；
2.利用储水箱内的液位传感器的水位信号经由中央控制器控制电驱动水泵，实现雾化喷嘴对冷凝水使用的精确控制，达到最优化的冷凝水资源的利用效果；
3.利用相变传热量大的特点，冷凝水水雾与冷凝器的翅片接触蒸发吸热，结合空气冷却更高效的带走冷凝器的热量，有效强化了冷凝器7的换热性能。
4.设置雾化喷嘴，将冷凝水雾化增大其传热表面积，有效带走冷凝器的热量；
5.雾化喷嘴的初始喷射方向与车速方向成70°～82°夹角，利用车辆行驶过程中的流动空气，实现冷凝水水雾在冷凝器迎风面的均匀分布，使冷凝器换热均匀，提高了冷凝器综合换热系数；
6.设置带有矫正弹簧的合页式喷嘴连接件，有效感应车速变化，实现雾化喷嘴喷射角度的风速适应性的自动调整，保证了冷凝水水雾在冷凝器迎风面上的均匀分布；
7.有效强化了纯电动汽车空调系统中冷凝器的换热性能，降低了空调系统电能消耗，有效延长了纯电动汽车的行驶里程。
附图说明
图1为本发明汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置的结构示意图；
图2为本发明汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置中储水箱的结构示意图；
图3为本发明汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置中储水箱的内部结构示意图；
图4为本发明汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置中雾化喷嘴连接件的俯视结构示意图；
图5为本发明汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置中雾化喷嘴连接件的侧视结构示意图；
图6为本发明汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置中雾化喷嘴连接件的立体结构示意图；
图7为雾化喷嘴喷出雾滴的受力示意图；
图8为雾化喷嘴安装夹片的受力示意图。
图中，(1)是蒸发器、(2)是储水箱的进水管、(3)是储水箱、(4)是出水管、(5)是电驱动水泵、(6)是三通件、(7)是冷凝器、(8)是合页式喷嘴连接件、(9)是雾化喷嘴、(10)是吊耳、(11)是储水箱的进水口、(12)是储水箱3的出水口、(13)是液位传感器、(14)是迎风页片、(15)是夹片、(16)是锁定压片、(17)是校正弹簧、(18)是固定页片。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参照图1至图6，本优选实施例中，一种汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置，包括与汽车空调蒸发箱上冷凝水排水管连通的储水箱3以及与储水箱3连通且根据车速自动调整喷射方向的雾化喷嘴9，其中，雾化喷嘴9通过合页式喷嘴连接件8固定于冷凝器7上，合页式喷嘴连接件8包括固定页片18以及与其铰接的迎风页片14，迎风页片14和固定页片18在内角侧通过弹性件相互支撑，迎风页片14中部设置嵌槽以容纳雾化喷嘴9，雾化喷嘴9可拆卸安装于嵌槽中，迎风页片14承受不同车速工况下空气的压力，根据该压力通过弹性件调节雾化喷嘴9的喷射方向。
具体地，两雾化喷嘴9通过固定于冷凝器7对角上的合页式喷嘴连接件8布置于冷凝器7对角线位置。两合页式喷嘴连接件8采用焊接方式布置于冷凝器7的对角位置，以促使喷雾有效覆盖冷凝器7的迎风面。
本实施例中，弹性件为校正弹簧17，该校正弹簧17的一端与固定页片18固定连接，校正弹簧17的另一端通过弹簧挂钩与迎风页片14连接。迎风页片14上通过活动铆接的方式设置有半环形状的夹片15，夹片15一端通过锁定压片16将其固定于迎风页片14上，雾化喷嘴9部分容纳于嵌槽中且凸出于嵌槽外的部分通过套有夹片15以将其固定。
储水箱3通过吊耳10固定于蒸发箱上，储水箱3的底面设计一部分斜面，以削弱车辆行驶过程加速度的影响，便于冷凝水的储存与导出。
储水箱3的进水口11与蒸发箱的冷凝水排水口通过胶接密封，储水箱3的出水口12通过导水软管与电驱动水泵5连通，电驱动水泵5通过管路与雾化喷嘴9连接。储水箱3的出水管4与电驱动水泵5胶接并密封，电驱动水泵5的出水口通过导水管连接一个三通件6，三通件6的两个出水口分别通过导水管路与两个雾化喷嘴9胶接并密封，实现冷凝水的回收与雾化。
进一步地，储水箱3内部含有液位传感器13，该液位传感器13还与电驱动水泵5和中央控制器电连接以发送信号作为电驱动水泵5的输入与控制信号。液位传感器13的液位信号被中央控制器接收后，用于电驱动水泵5的控制，从而实现冷凝水自动化的调用。
电驱动水泵5还与汽车蓄电池电连接。即电驱动水泵5的电源为纯电动汽车蓄电池。电驱动水泵5的压力为0.4～0.5MPa。
具体地，控制迎风页片14转动角度范围为0°～50°(相对于其不受力的初始方向转动角度)，在未受流动空气压力时嵌槽的中心线与迎风页片14的表面所成的夹角α为8～20°(嵌槽中心线同雾化喷嘴9的喷射线方向相同，这里控制雾化喷嘴9在迎风页面未受流动空气压力时的初始喷射方向。如果取8°，那么在未受到流动空气压力时，雾滴的喷射方向与冷凝器迎风面便成8°)，因此，雾化喷嘴9的初始喷射方向与车速方向成70～88°夹角，进一步促进喷雾对冷凝器7迎风面的覆盖。
迎风页片14与固定页片18呈30～50°的初始夹角。迎风页片14的面积远大于固定页片18的面积，其中，固定页片18面积400～600mm2，迎风页片14面积2000～3000mm2。迎风页片14形状为矩形，固定页片18形状为正方形。迎风页片14在未受空气外力的初始位置时平行于冷凝器7的迎风面。
本实施例中，校正弹簧17的刚度k，嵌槽位置参数l以及迎风页片14的面积S满足以下关系：
其中，v0为喷嘴的喷射速度，单位m/s；α为嵌槽的中心线与迎风页片的表面所成的夹角，单位°；v为车速，单位m/s；L为雾滴群喷射速度减为零时距离冷凝器迎风面的垂直距离，单位m；ρA为空气密度，单位kg/m3；H为雾滴群喷射速度减为零时在冷凝器迎风面方向上运动的距离，单位m；l为嵌槽在迎风页片平面上投影的长度，单位m。
结合参照图7和图8，校正弹簧17的选型公式其计算过程如下。
设电驱动水泵5的压力为P，大气压强为P0，水密度为ρW，喷嘴水雾射由式(1)计算。
CV为速度系数，可取0.95；ΔP为喷嘴两端压强差；
取喷嘴参数：孔径d＝0.21mm，压力P＝0.5MPa。大气压强P0＝0.1MPa。
代入式(1)得v0＝26.9m/s。
参照图7，γ为喷嘴喷射方向与冷凝器7迎风面的夹角，v为车速，A为雾化喷嘴的喷射点位置。B为实际情况下雾滴群喷射速度减为零，即雾滴群开始向冷凝器7迎风面运动的时刻点；B’为假设雾滴群的出射速度方向不变并均匀减小到零时刻的点，此处因为雾滴群被喷射之后由于分散，空气阻力大的原因，其出射速度很快降低为零，因此时间短暂故此两个过程终点与冷凝器7迎风面的距离L与L′相差不大，不过随着和车速的提高其误差会增大。
假设在雾滴群达到运动空气的速度过程中所受的力为恒力，即在平行于车速方向上雾滴群的运动为匀减速到零后匀加速到车速的运动。
根据图7并由假设条件，结合实验结果，取L＝200mm时空调压缩机的功率降到最低。
平行于车速方向整个过程加速度为：
α＝(v0sinγ+v)/t (2)
减速到零的时刻为
t0＝v0tsinγ/(v0sinγ+v) (3)
由此可得平行于车速方向运动方程
将式(3)代入式(4)并整理得
由于冷凝器7代入风机，故车辆速度为零时，迎风页片14不受力但是雾滴仍然受力，因此可直接将风机风速作为v值，代入式(5)，即解得雾滴群初始喷射角度，即喷嘴初始安装角度α。
图8中，根据设计喷嘴的喷射方向与迎风页片14表面成α角，与冷凝器7迎风面成α角。当迎风页片14承受风的压力造成校正弹簧17发生形变Δx，其到达D位置，此时喷嘴的喷射方向与冷凝器7迎风面成(Δθ+α)角。对照图7、图8可知：
γ＝(Δθ+α) (6)
取Δm的空气，根据弹簧弹力与流动空气动量变化造成的压力平衡以及几何关系分别可得
ρAv2S＝kΔx (7)
联立两式可得：
Δθ＝2arcsin(ρAv2S/(2kl)) (9)
将式(8)代入式(6)并代入式(5)可得
因此校正弹簧17的刚度k，嵌槽位置参数l以及迎风页片14的面积S可以根据式(10)确定。
由于车速是不断变化的，因此式(10)具有无穷多个解(无穷多个形式)，所以需要根据车辆实际情况确定常用范围，将式(10)结果对功耗降低效果影响减到最小；或者选用变刚度弹簧，以适应车速变化。
本汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置其工作原理如下：储水箱3收集蒸发箱产生的冷凝水，电驱动水泵5根据中央控制器接收到的储水箱3内液位传感器13的信号，以调用储水箱3内的冷凝水，并将带有压力的冷凝水泵至雾化喷嘴9。迎风页片14的迎风表面初始垂直于车速方向，承受车辆行驶过程中流动空气的压力，进而压缩校正弹簧17，因此随着车速的升高，雾化喷嘴9喷射方向从初始与车速方向成70～82°逐渐减小0～30°，从而保证在任何车速工况下，冷凝水水雾都能均匀完全的分布于冷凝器7迎风面。
本实施例提出的汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置，具有以下有益效果：
1.在蒸发器1的冷凝水排水口外设置储水箱3，实现了该部分水资源的回收利用；
2.利用储水箱3内的液位传感器13的水位信号经由中央控制器控制电驱动水泵5，实现雾化喷嘴9对冷凝水使用的精确控制，达到最优化的冷凝水资源的利用效果；
3.利用相变传热量大的特点，冷凝水水雾与冷凝器7的翅片接触蒸发吸热，结合空气冷却更高效的带走冷凝器7的热量，有效强化了冷凝器7的换热性能。
4.设置雾化喷嘴9，将冷凝水雾化增大其传热表面积，有效带走冷凝器7的热量；
5.雾化喷嘴9的初始喷射方向与车速方向成70°～82°夹角，利用车辆行驶过程中的流动空气，实现冷凝水水雾在冷凝器7迎风面的均匀分布，使冷凝器7换热均匀，提高了冷凝器7综合换热系数；
6.设置带有矫正弹簧的合页式喷嘴连接件8，有效感应车速变化，实现雾化喷嘴9喷射角度的风速适应性的自动调整，保证了冷凝水水雾在冷凝器7迎风面上的均匀分布；
7.有效强化了纯电动汽车空调系统中冷凝器7的换热性能，降低了空调系统电能消耗，有效延长了纯电动汽车的行驶里程。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置，其特征在于，包括与汽车空调蒸发箱上冷凝水排水管连通的储水箱以及与储水箱连通且根据车速自动调整喷射方向的雾化喷嘴，其中，所述雾化喷嘴通过合页式喷嘴连接件固定于冷凝器上，合页式喷嘴连接件包括固定页片以及与其铰接的迎风页片，迎风页片和固定页片在内角侧通过弹性件相互支撑，迎风页片中部设置嵌槽以容纳雾化喷嘴，雾化喷嘴可拆卸安装于嵌槽中，迎风页片承受不同车速工况下空气的压力，根据该压力通过弹性件调节雾化喷嘴的喷射方向。
2.如权利要求1所述的汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置，其特征在于，所述弹性件为校正弹簧，该校正弹簧的一端与固定页片固定连接，校正弹簧的另一端通过弹簧挂钩与迎风页片连接。
3.如权利要求1所述的汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置，其特征在于，所述迎风页片上通过活动铆接的方式设置有半环形状的夹片，夹片一端通过锁定压片将其固定于迎风页片上，雾化喷嘴部分容纳于嵌槽中且凸出于嵌槽外的部分通过套有夹片以将其固定。
4.如权利要求1所述的汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置，其特征在于，所述储水箱的进水口与蒸发箱的冷凝水排水口通过胶接密封，储水箱的出水口通过导水软管与电驱动水泵连通，电驱动水泵通过管路与雾化喷嘴连接。
5.如权利要求4所述的汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置，其特征在于，所述储水箱内部含有液位传感器，该液位传感器还与电驱动水泵和中央控制器电连接以发送信号作为电驱动水泵的输入与控制信号。
6.如权利要求4所述的汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置，其特征在于，所述电驱动水泵还与汽车蓄电池电连接。
7.如权利要求1所述的汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置，其特征在于，所述迎风页片在未受空气外力的初始位置时平行于冷凝器的迎风面。
8.如权利要求1至7中任意一项所述的汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置，其特征在于，两所述雾化喷嘴通过固定于冷凝器对角上的合页式喷嘴连接件布置于冷凝器对角线位置。
9.如权利要求2所述的汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置，其特征在于，所述校正弹簧的刚度k，嵌槽位置参数l以及迎风页片的面积S满足以下关系：
其中，v0为喷嘴的喷射速度，单位m/s；α为嵌槽的中心线与迎风页片的表面所成的夹角，单位°；v为车速，单位m/s；L为雾滴群喷射速度减为零时距离冷凝器迎风面的垂直距离，单位m；ρA为空气密度，单位kg/m3；H为雾滴群喷射速度减为零时在冷凝器迎风面方向上运动的距离，单位m；l为嵌槽在迎风页片平面上投影的长度，单位m。
10.如权利要求8所述的汽车空调冷凝水回收及冷凝器换热性能强化装置，其特征在于，所述迎风页片在受流动空气压力时转动角度范围为0°～50°，在未受流动空气压力时嵌槽的中心线与迎风页片的迎风表面所成的夹角α为8～20°。
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