CN110978957A - 一种换热器、热泵空调系统及电动汽车 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换热器、热泵空调系统及电动汽车，属于汽车技术领域。本发明所提供的换热器包括换热器主体和余热回收器，换热器主体上设置有第一冷媒入口和第一冷媒出口，热泵空调系统的冷媒介质进入换热器主体中与外界空气进行一次热交换，从外界空气中进行第一次吸热。完成第一次吸热后的冷媒介质进入余热回收器的冷媒介质流道内，并与从废热回收系统进入余热回收器内余热介质流道的余热介质进行二次热交换，从余热介质内进行第二次吸热。经过两次吸热后的冷媒介质压力以及温度均得到一定程度的提升，其回流至热泵空调系统内能够有效地提高热泵空调系统的制热性能以及能效比。

Description

一种换热器、热泵空调系统及电动汽车

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，尤其涉及一种换热器、热泵空调系统及电动汽车。

背景技术

传统的燃油汽车在冬季采暖时，由于其发动机的废热较为充足，而且热量品位很高，因此其废热可以作为热源直接利用。而电动汽车由于没有发动机，因此缺乏足够的废热作为高效热源用于冬季的采暖。

目前，电动汽车的采暖主要采用如下两种方法：一种是采用电加热，也就是常见的PTC电加热器，该方法存在能耗高的缺陷，其能效比(COP)低于1.0，长期使用会严重影响电动汽车的续航里程；另一种是采用热泵空调技术，其虽然系统较复杂，但是其能效比(COP)高，一般可以做到2.0以上，可以显著降低系统对整车续航里程的不利影响。因此现有的电动汽车主要采用热泵空调系统实现冬季采暖。

但是，目前热泵空调技术还不成熟，比如，随着环境温度的降低，热泵空调系统的制热能力和能效比(COP)也随之衰减。特别是当环境温度低于-15℃时，常规热泵空调系统的制热性能衰减明显，难以满足整车的采暖需求。

电动汽车的动力源为电动机。电动机在工作时，大部分的能量都被用来驱动整车前进，仍然有一小部分能量转化成热能。为了保证电动机的正常工作，防止电动机局部过热，通常会有一套冷却系统，将电动机工作时产生的多余热量带走。如何利用该部分多余热量提高热泵空调系统在低温环境下的制热性能，使其满足电动汽车的采暖需求是现在亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种换热器，该换热器能够吸收外部设备的废热，并用于热泵空调系统内，有利于提高热泵空调系统的制热性能。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种换热器，包括：

换热器主体，所述换热器主体上设置有第一冷媒入口和第一冷媒出口，热泵空调系统的冷媒介质从所述第一冷媒入口流入所述换热器主体内部，并与外界空气发生一次热交换；

余热回收器，所述余热回收器包括嵌套设置的内壳和外壳，所述内壳和所述外壳配合形成相互隔离的冷媒介质流道与余热介质流道，所述冷媒介质流道上的第二冷媒入口与所述第一冷媒出口连通，所述余热介质流道与用于吸收外部设备废热的废热回收系统连通，所述废热回收系统内的余热介质从所述余热介质流道的余热介质入口流入所述余热介质流道内，并与所述冷媒介质流道内的冷媒介质发生二次热交换后从所述余热介质流道的余热介质出口回流至所述废热回收系统内，与余热介质进行二次热交换后的冷媒介质通过所述冷媒介质流道的第二冷媒出口回流至所述热泵空调系统内。

作为优选，所述内壳为套管结构，所述套管结构包括嵌套设置的内管和外管，所述内管和所述外管之间的环形开口处设置有密封板，所述内管、所述外管和所述密封板封闭形成所述余热介质流道，所述内管的中空孔以及所述外管和所述外壳之间的环形孔形成所述冷媒介质流道。

作为优选，所述冷媒介质在所述冷媒介质流道内的流向与所述余热介质在所述余热介质流道的流向相反。

作为优选，所述第二冷媒入口位于所述外壳的下方，所述第二冷媒出口位于所述外壳的上方；

所述余热介质出口位于所述内壳的下方，所述余热介质入口位于所述内壳的上方。

作为优选，所述余热回收器为方管结构或者圆管结构。

作为优选，所述换热器主体包括集液管、回流管、进液换热管以及回流换热管，所述集液管和所述回流管间隔设置，所述集液管内设置有分流程隔板，所述分流程隔板将所述集液管内部分为进液腔和回流腔，所述第一冷媒入口设置在所述集液管上，并与所述进液腔连通，所述第一冷媒出口设置在所述集液管上，并与所述回流腔连通；

所述进液换热管设置在所述集液管和所述回流管之间，并与所述进液腔和所述回流管连通，所述回流换热管设置在所述集液管和所述回流管之间，并与所述回流腔和所述回流管连通。

作为优选，所述进液换热管和所述回流换热管上均设置有换热翅片。

本发明的另一个目的在于提供一种热泵空调系统，该热泵空调系统的制热性能好，且制热过程中能耗低。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种热泵空调系统，包括上述换热器。

本发明的再一个目的在于提供一种电动汽车，该电动汽车的制热性能好，且制热过程中能耗低。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种电动汽车，包括上述的热泵空调系统。

作为优选，产生废热的所述外部设备为所述电动汽车的电动机。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种换热器，该换热器包括换热器主体和余热回收器，换热器主体上设置有第一冷媒入口和第一冷媒出口，热泵空调系统的冷媒介质进入换热器主体中与外界空气进行一次热交换，从外界空气中进行第一次吸热。完成第一次吸热后的冷媒介质进入余热回收器的冷媒介质流道内，并与从废热回收系统进入余热回收器内余热介质流道的余热介质进行二次热交换，从余热介质内进行第二次吸热。经过两次吸热后的冷媒介质压力以及温度均得到一定程度的提升，其回流至热泵空调系统内能够有效地提高热泵空调系统的制热性能以及能效比。

附图说明

图1是本发明所提供的换热器的轴测图；

图2是本发明所提供的换热器的主视图；

图3是本发明所提供的余热回收器的轴测图；

图4是本发明所提供的换热器的俯视图；

图5是图4中A-A方向的剖视图。

图中：

100、换热器主体；200、余热回收器；

1、集液管；101、第一冷媒入口；102、第一冷媒出口；103、进液腔；104、回流腔；105、分流程隔板；

2、回流管；3、换热管；4、边板；5、进口压块；6、换热翅片；

7、外壳；701、第二冷媒入口；702、第二冷媒出口；703、冷媒介质流道；

8、内壳；801、余热介质入口；802、余热介质出口；803、内管；804、外管；805、余热介质流道。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，而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”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本实施例提供了一种换热器，该换热器可以用于电动汽车的热泵空调系统中，以在电动汽车处于低温环境、热泵空调系统的制热性能下降时，从电动汽车的电动机以及其他产热部件产生的废热中吸收热量，并将该热量传递至热泵空调系统中的冷媒介质，以提高热泵空调系统的制热性能和能效比。当然在其他实施例中，该换热器也能够用于其他系统或者设备中，以实现对其他系统、设备内废热的吸收再利用。

如图1至图5所示，该换热器包括换热器主体100和余热回收器200。换热器主体100主要用于使热泵空调系统中的冷媒介质与外界空气进行一次换热。由于冷媒介质为低温媒介，外界空气为高温媒介，因此冷媒介质能够从外界空气进行第一次吸热。余热回收器200主要用于使从换热器主体100流入的冷媒介质与从废热回收系统流入的余热介质进行二次换热。由于冷媒介质为低温媒介，余热介质为高温媒介，因此冷媒介质能够从余热介质进行第二次吸热。

如图1、图2和图5所示，换热器主体100上设置有第一冷媒入口101和第一冷媒出口102，热泵空调系统的冷媒介质从第一冷媒入口101流入换热器主体100内部，并与外界空气发生一次热交换。

具体地，在本实施例中，换热器主体100包括集液管1、回流管2和换热管3。集液管1和回流管2均为圆管结构，两者间隔且平行设置，换热管3是进行热量交换的核心部件，换热管3设置在集液管1和回流管2之间，用于连通集液管1和回流管2。集液管1内设置有分流程隔板105，分流程隔板105将集液管1内部分为进液腔103和回流腔104。第一冷媒入口101设置在集液管1上，并与进液腔103连通，第一冷媒出口102设置在集液管1上，并与回流腔104连通。在本实施例中，根据冷媒介质的流向不同，将换热管3分为进液换热管以及回流换热管。进液换热管设置在集液管1和回流管2之间，并与进液腔103和回流管2连通，回流换热管设置在集液管1和回流管2之间，并与回流腔104和回流管2连通。可选地，在集液管1上设置第一冷媒入口101的位置还设置有进口压块5，进口压块5上设置有与第一冷媒入口101连通的进液口，进口压块5的设置便于实现与热泵空调系统中输送冷媒介质的管路连接。

冷媒介质从进口压块5的进液口处流入，并通过第一冷媒入口101进入集液管1的进液腔103内，然后通过进液换热管流入回流管2内，在回流管2内向下流动，并反向流入回流换热管，最后从回流换热管流入集液管1的回流腔104内，并从第一冷媒出口102流出。在冷媒介质的流动过程中，其与位于换热管3外的空气进行热交换。

该换热器主体100通过设置回流管2、分流程隔板105等结构，使冷媒介质能够在换热器主体100内反向流动，延长了冷媒介质的流动距离和与空气进行热交换的时间，使冷媒介质从外界空气中获得的热量变多。并且，如此设置能够使第一冷媒入口101和第一冷媒出口102位于换热器主体100的同一侧，便于换热器主体100与其他机构进行连接，有利于提高整个换热器、热泵空调系统以及电动汽车的结构紧凑性。

当然在其他实施例中，该换热器主体100内的冷媒介质也可以单向流动，以简化其结构。或者也可以在集液管1和回流管2内均设置一个或者多个分流程隔板105，从而在换热器主体100内形成蛇形流道，以使冷媒介质能够在换热器主体100内多次反向，进一步延长冷媒介质的流动距离以及与空气进行热交换的时间，提高热交换的效果。

进一步地，如图1和图2所示，在进液换热管以及回流换热管的端部均设置有换热翅片6，换热翅片6同样是进行热量交换的核心部件。空气能够从换热翅片6的中间流过，以与位于换热管3内的冷媒介质进行充分地热交换，进一步提高了换热效果。可选地，在整个换热器主体100的顶部还设置有边板4，边板4具有防护作用。

如图1、图2以及图4所示，余热回收器200设置在换热器主体100的一侧，连接方式可以为焊接、连接件连接或者直接一体成型。在本实施例中，余热回收器200设置在换热器主体100设置第一冷媒入口101和第一冷媒出口102的一侧，并与换热器主体100进行钎焊连接。如此设置使换热器整体结构紧凑可靠，且由于制造工艺与常规换热器产品的接近，工艺可行性高。此外，换热器集成式的设计，使得热泵空调系统的部件数量减少、整体结构简化、整体布置更加灵活紧凑。为了进一步提高余热回收器200与换热器主体100连接的紧凑性，将余热回收器200靠近换热器主体100的一侧设置为与集液管1的外壁面相适配的弧形结构。

如图3和图5所示，余热回收器200包括嵌套设置的内壳8和外壳7，根据需求，可将余热回收器200为方管结构或者圆管结构，即将内壳8和外壳7设置为方管结构或者圆管结构。内壳8设置在外壳7内部，内壳8和外壳7配合形成相互隔离的冷媒介质流道703与余热介质流道805。冷媒介质流道703上设置有第二冷媒入口701和第二冷媒出口702，第二冷媒入口701与第一冷媒出口102连通，从换热器主体100流出的冷媒介质能够通过第二冷媒入口701进入冷媒介质流道703内，并从第二冷媒出口702流出。

余热介质流道805与废热回收系统连通，废热回收系统用于回收外部设备在工作过程中产生的废热。在本实施例中，该废热可以为电动汽车的发动机工作过程中产生的热能或者其他机构工作过程中产生的废热。余热介质流道805上设置有余热介质入口801和余热介质出口802，从废热回收系统流出的吸收完废热的余热介质能够通过余热介质入口801流入余热介质流道805内，并与冷媒介质流道703内的冷媒介质发生二次热交换后，从余热介质出口802回流至废热回收系统内。而与余热介质进行二次热交换后的冷媒介质通过第二冷媒出口702回流至热泵空调系统内，具体流入热泵空调系统的压缩机内，使得冷媒进入压缩机的压力和温度提升、热泵系统的压比减小、冷媒循环量增加，进而使得系统的制热性能提高、压缩机的功耗下降、能效比COP提升。

为了提高冷媒介质与余热介质的热交换效率，如图5所示，在本实施例中，将内壳8设置为套管结构。具体地，套管结构包括嵌套设置的内管803和外管804，内管803和外管804之间的环形开口处设置有密封板，内管803、外管804和密封板封闭形成呈环形结构的余热介质流道805，而内管803的中空孔以及外管804和外壳7之间的环形孔形成冷媒介质流道703。如此设置，使余热介质能够同时与位于其内侧以及外侧的冷媒介质进行热交换，在极大程度上提高了热交换速率，避免了余热介质所携带的能量的浪费。

进一步地，在本实施例中，冷媒介质在冷媒介质流道703内的流向与余热介质在余热介质流道805的流向相反。两种介质反向流动能够进一步提高热交换速率和热交换效果。可选地，如图5所示，将第二冷媒入口701设置于外壳7的下方，第二冷媒出口702设置于外壳7的上方，并将余热介质出口802设置于内壳8的下方，余热介质入口801设置于内壳8的上方。当然在其他实施例中，也可以将第二冷媒出口702设置于外壳7的下方，第二冷媒入口701设置于外壳7的上方，并将余热介质入口801设置于内壳8的下方，余热介质出口802设置于内壳8的上方。

本实施例还提供了一种热泵空调系统，该热泵空调系统包括上述的换热器，还包括压缩机、蒸发器、室内换热器和膨胀阀等结构，该部分结构与现有技术中并没有区别，在此不做赘述。热泵空调系统中流动的冷媒介质能够通过上述换热器实现两次吸热，在极大程度上提高了其在低温环境下的制热性能以及能效比。

本实施例还提供了一种电动汽车，该电动汽车包括上述的热泵空调系统。可选地，在本实施例中，产生废热的外部设备指的是电动汽车内部的电动机、控制组件或者其他工作部件等。收集废热的废热回收系统可以为电动机的冷却系统。

该电动汽车通过利用上述换热器，能够对电动汽车整车上的低品位废热进行回收利用，为常规热泵系统增加了一个新的辅助热源。在常规的热泵空调系统中采用上述换热器，可以有效提升系统在低温环境下的制热性能和系统的能效比COP。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种换热器，其特征在于，包括：

换热器主体(100)，所述换热器主体(100)上设置有第一冷媒入口(101)和第一冷媒出口(102)，热泵空调系统的冷媒介质从所述第一冷媒入口(101)流入所述换热器主体(100)内部，并与外界空气发生一次热交换；

余热回收器(200)，所述余热回收器(200)包括嵌套设置的内壳(8)和外壳(7)，所述内壳(8)和所述外壳(7)配合形成相互隔离的冷媒介质流道(703)与余热介质流道(805)，所述冷媒介质流道(703)上的第二冷媒入口(701)与所述第一冷媒出口(102)连通，所述余热介质流道(805)与用于吸收外部设备废热的废热回收系统连通，所述废热回收系统内的余热介质从所述余热介质流道(805)的余热介质入口(801)流入所述余热介质流道(805)内，并与所述冷媒介质流道(703)内的冷媒介质发生二次热交换后从所述余热介质流道(805)的余热介质出口(802)回流至所述废热回收系统内，与余热介质进行二次热交换后的冷媒介质通过所述冷媒介质流道(703)的第二冷媒出口(702)回流至所述热泵空调系统内。

2.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，

所述内壳(8)为套管结构，所述套管结构包括嵌套设置的内管(803)和外管(804)，所述内管(803)和所述外管(804)之间的环形开口处设置有密封板，所述内管(803)、所述外管(804)和所述密封板封闭形成所述余热介质流道(805)，所述内管(803)的中空孔以及所述外管(804)和所述外壳(7)之间的环形孔形成所述冷媒介质流道(703)。

3.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，

冷媒介质在所述冷媒介质流道(703)内的流向与余热介质在所述余热介质流道(805)的流向相反。

4.根据权利要求3所述的换热器，其特征在于，

所述第二冷媒入口(701)位于所述外壳(7)的下方，所述第二冷媒出口(702)位于所述外壳(7)的上方；

所述余热介质出口(802)位于所述内壳(8)的下方，所述余热介质入口(801)位于所述内壳(8)的上方。

5.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，

所述余热回收器(200)为方管结构或者圆管结构。

6.根据权利要求1所述的换热器，其特征在于，

所述换热器主体(100)包括集液管(1)、回流管(2)、进液换热管以及回流换热管，所述集液管(1)和所述回流管(2)间隔设置，所述集液管(1)内设置有分流程隔板(105)，所述分流程隔板(105)将所述集液管(1)内部分为进液腔(103)和回流腔(104)，所述第一冷媒入口(101)设置在所述集液管(1)上，并与所述进液腔(103)连通，所述第一冷媒出口(102)设置在所述集液管(1)上，并与所述回流腔(104)连通；

所述进液换热管设置在所述集液管(1)和所述回流管(2)之间，并与所述进液腔(103)和所述回流管(2)连通，所述回流换热管设置在所述集液管(1)和所述回流管(2)之间，并与所述回流腔(104)和所述回流管(2)连通。

7.根据权利要求6所述的换热器，其特征在于，

所述进液换热管和所述回流换热管上均设置有换热翅片(6)。

8.一种热泵空调系统，其特征在于，包括权利要求1-7中任一项所述换热器。

9.一种电动汽车，其特征在于，包括权利要求8所述的热泵空调系统。

10.根据权利要求9所述的电动汽车，其特征在于，

产生废热的所述外部设备为所述电动汽车的电动机。

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