CN111247014B - 机动车的内部空间或者部件的调温装置 - Google Patents

机动车的内部空间或者部件的调温装置 Download PDF

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Abstract

规定使用在机动车中的用于调节机动车的内部空间和/或部件、尤其是用于驱动机动车的电的牵引部件(5)的温度的调温装置(1)，所述调温装置具有至少一个能够供冷却剂穿流的冷却剂循环(3)，在所述冷却剂循环中布置电的牵引部件(5)和能够被环境空气迎流的第一传热器(6)，所述调温装置具有至少一个能够供制冷剂穿流的制冷剂循环(2)，在所述制冷剂循环之中布置至少一个用于压缩制冷剂的压缩机(7)、至少一个用于使制冷剂膨胀的膨胀元件(8)、至少一个用于调节待输入内部空间的空气的温度的第二传热器(10)，并且所述调温装置具有至少一个布置于冷却剂循环(3)中和制冷剂循环(2)中的用于在冷却剂和制冷剂之间传递热量的第三传热器(4)，其中调温装置能够在至少一种用于使内部空间变暖的加热运行方式以及在至少一种用于冷却内部空间的冷却运行方式中运行，其中所述第一传热器(6)设计为具有多个至少区段性地平行延伸的微通道(11)的微通道冷却器，并且所述微通道(11)布置于多个相互平行地以间距(a、A)布置的平面(E1、E2)中、尤其垂直于空气流迎流(V)的方向布置。

Description

机动车的内部空间或者部件的调温装置
技术领域
本发明涉及规定使用在机动车中的用于调节机动车的内部空间和/或部件的温度的调温装置或者说温度调节装置，其具有至少一个用于驱动机动车的电牵引部件，调温装置具有至少一个能够供冷却剂穿流的冷却剂循环，在所述冷却剂循环中布置有电牵引部件和能够被环境空气迎流的第一传热器，调温装置具有至少一个能够供制冷剂穿流的制冷剂循环，在所述制冷剂循环中布置有至少一个用于压缩制冷剂的压缩机、至少一个用于使制冷剂膨胀的膨胀元件、至少一个用于调节待输入内部空间的空气的温度的第二传热器，并且调温装置具有至少一个布置于冷却剂循环中和制冷剂循环中的用于在冷却剂和制冷剂之间传递热量的第三传热器，其中调温装置能够在至少一种用于使内部空间变暖的加热运行方式中以及在至少一种用于冷却内部空间的冷却运行方式中运行。
背景技术
在由现有技术已知的电动车辆中，存在这样的问题，即在冬季当外部温度较低时，电动车辆的内部空间纯电地通过电加热器被加热。这是特别低效的并且部分明显地减少续驶里程。相反地，较高的环境温度需要冷却内部空间。
在一些电动车辆中，内部空间的加热或者冷却通过热泵实现。相比用于加热内部空间的纯电的加热器，这样的热泵对于可实现的电续驶里程产生的不良影响更小，通过热泵可以驱动例如设计为混合动力或者电动车的车辆。这样的热泵系统动用来自环境空气的热量，方式为借助于热泵将来自环境的热量提高到比环境更高的温度水平，然后向待输入内部空间的空气并且因此向内部空间本身传递。
为此，调温装置包括至少一个能够被冷却剂穿流的冷却剂循环，在所述冷却剂循环中布置电的驱动部件。由此例如借助于冷却剂能够冷却电的驱动部件。另外，调温装置包括至少一个在热力学的循环过程中能够被制冷剂穿流的制冷剂循环。在制冷剂循环中布置至少一个用于压缩制冷剂的压缩机。
另外，在制冷剂循环中布置至少一个用于使制冷剂膨胀的膨胀元件、至少一个用于调节待输入内部空间的空气的温度的第一传热器和至少一个用于调节待输入内部空间的空气的温度的第二传热器。
调温装置具有至少一个布置于冷却剂循环中和制冷剂循环中的用于在冷却剂和制冷剂之间进行热交换的第三传热器。由此可以通过第三传热器在冷却剂和制冷剂之间进行热交换。在此，调温装置能够在至少一种用于使内部空间变暖的加热运行方式中以及在至少一种用于冷却内部空间的冷却运行方式中运行。
此外，专利文献DE 10 2013 206 630 A1公开了一种用于电动或者混合动力车辆的冷却和加热系统，并且专利文献DE 10 2013 105 747 A1公开了一种用于在机动车内、尤其在混合动力车辆内进行热分配的装置。
实现从环境空气到制冷剂的热吸收的传统的热量系统的缺点是，在温度大约为冻点和潮湿的环境空气中，传热器可能结冰。
由于从降雨凝结出的湿气和由此导致的外部传热器的结冰，通常必须执行耗费的除冰程序。在这段时间内，必须进行电辅助加热以保持充分的加热功率，这影响效率。
清除外部的传热器上的冰的方法在于，在除冰模式下运行热泵。在除冰模式下，制冷剂通过压缩机被加热并且通过外部的传热器被传导，以便加热外部的传热器。然而，传回热泵压缩机的制冷剂的温度可能高于所希望的温度。结果，当热泵在除冰模式下较长时间地运行时，可能降低热泵的压缩机的功率。另外，已知的除冰方法不允许在热泵以除冰模式运行期间加热客舱。
专利文献DE 10 2016 203 045 A1描述了一种用于调节车辆的内部空间的温度的调温装置，在此装置中在加热运行方式下，应该避免借助于传热器有针对性地作用产生的只从环境空气到制冷剂的热传导并且因此应当应对结冰的问题。
另外，在专利文献DE 10 2012 020 882 A1里描述了一种称为微通道冷却器的用于内燃机的冷却系统的传热器，其具有多个平行地相互间隔地布置的管状的冷却管路。为了冷却穿流所述冷却管路的冷却剂，冷却空气绕冷却管路环流。冷却管路的壁厚应该例如小于1mm并且内径小于2mm。
另外，专利文献DE 10 2015 218 824 A1规定了一种用于机动车、尤其电动或者混合动力车辆的空气调节的热泵系统，并且专利文献DE 10 2015 122491A1规定了一种具有换热器的机动车的冷却系统，所述换热器设置用于以第一冷却剂、尤其冷却液穿流，并且设置用于以第二冷却剂、尤其冷却空气的绕流或者穿流。
发明内容
在这种背景下，本发明所要解决的技术问题在于，显著改进开头所述类型的调温装置并且即使在不利的环境温度下也尤其确保特别可靠的运行。尤其应当避免对于车辆乘员的不希望的调温限制。
所述技术问题通过调温装置解决。
即，根据本发明规定调温装置，在所述调温装置中，第一传热器设计为具有多个至少区段性地平行延伸的微通道的微通道冷却器，其中所述微通道布置于多个相互平行地间隔布置的平面中、尤其垂直于迎流方向。由此，以令人吃惊的简单的方式，通过使用微通道冷却器作为传热器同时实现了如此装备的机动车的空气阻力、结构空间需求以及重量的减少，其中尤其可以放弃用于牵引部件和内部空间的多个单独的冷却装置或者传热器。此外，相对于实践中常见的冷却器，也已经能够由此实现机动车的空气阻力的减少，其中通过省去空气路径中的其它冷却器能够更加增强有益的效果。
通过只使用一个作为微通道冷却器的传热器或者说热交换器，所述传热器能够针对极端的负载要求、例如车辆内部空间的和牵引部件的或者快速充电装置的同时的冷却需求进行设计。因此微通道冷却器对于平均的运行状态是超尺寸的，这实现了空调装置和冷却的极其高效的运行。由此，由于在冷却剂和制冷剂之间的在第三传热器中的附加热传导导致的可能的原则上的效率缺点至少部分地被补偿或者根据设计也能被过度补偿。对于作为热泵的运行特别有益的是微通道冷却器的最佳的冷却剂流动过程，因此热泵在低于0℃的蒸发温度下能够明显更有效地工作。
本发明的特别有益的实施形式也通过以下实现，即第一平面的相邻的微通道的间距与至少另外一个平面的相邻的微通道的间距不一致。在迎流侧的、空气侧的入口处的各个微通道之间加大的间距导致结冰明显更慢地使空气侧的压力损失增长。在此对于微通道冷却器的功率有益的是，在微通道冷却器的背离空气迎流的后部区域中的微通道的间距小于在面向空气迎流的区域中的间距，并且因此改善热传导。由于通常在微通道冷却器的空气迎流侧的区域处的结冰和冰层的层厚度大于在微通道冷却器的背离空气迎流的区域中的冰层厚度，因此在这个背离空气迎流的区域中的微通道的较小间距对于空气侧的压力损失的增长并不关键。
本发明的特别有益的设计形式也在以下情况下实现，即面向环境空气的空气迎流的平面的相邻的微通道的间距大于至少沿环境空气的流动方向处于其后的平面中的相邻的微通道的间距。通过在空气迎流的进气口处的微通道的更大的间距补偿冰层的更大的厚度。因此结果是在根据相应平面离进气口的间距实现不同的层厚的结冰开始后，在每一行中保持相似大小的自由的空气通路。
另外，相邻的微通道的不同的间距不限于具有尤其相对于空气迎流的垂直定向的相同平面的微通道。更确切地说，根据本发明的另外的特别有望成功的变型，平面的间距被不同地设计，因此与空气迎流间隔不同的平面的相邻的微通道的间距可以相应不同地设计。因此，微通道在流入的空气的区域中比在流出的空气的区域中相互具有更大的间距。例如，相同平面的微通道彼此的间距可以与不同平面的相邻的微通道的间距设计为相同尺寸。
根据实用的设计方案，在面向由环境空气实现的空气迎流的平面中的微通道可以具有至少3mm、优选为4mm至6mm的间距，其中在背离空气迎流的平面中的相邻的微通道的间距可以小于2mm、例如大约1mm。
在另外的在结构上有益的设计形式中，入口区域中的微通道之间的间距比微通道冷却器出口处的微通道之间的间距大30％至400％。通过在空气入口处的微通道的更大的间距可靠地补偿冰层的更大厚度，方式为在微通道之间保持至少近似相同大小的自由的空气通路和/或在微通道之间保持至少近似相同大小的压力损失。
另外，被证明特别有望成功的是，横向于通过环境空气形成的空气迎流的至少一个平面的微通道形成微通道的第一组并且至少另一个平面的微通道形成微通道的另外一组，并且微通道的至少两组依次被冷却剂穿流，其中在冷却剂的流动方向上首先穿流背离空气迎流的组然后穿流面向空气迎流的组。
通过优选在实现在面向空气迎流的区域里穿流微通道的组之前，实现在背离空气迎流的区域里用冷却剂穿流微通道的组，作为对相邻微通道的与气流进入微通道冷却器的入口的距离相关的不同间距的补充或者备选，可以通过改变的水侧连接方式显著地改善结冰特性。例如，由此可以通过根据逆流原理或者交叉逆流原理的冷却剂通路减少在各个微通道处的冷却剂与气流之间的温差。由此在各个微通道处进行针对不同的微通道几乎一致的空气的冷却。因此，结冰在各个微通道处几乎以一致的速度和层厚度实现。
另外，被证明特别有望成功的是，在冷却剂循环中设有导流元件、尤其是阀，用于有选择地使冷却剂输入第三传热器和/或绕过第三传热器输入用于回引至微通道冷却器的旁路，以便由此在需要时将微通道冷却器的冷却功率完全用于冷却牵引部件。冷却剂循环在这种功能状态中在绕过第三传热器的情况下在冷却剂循环中循环。为此，导流元件沿冷却剂在冷却剂循环中的流动方向优选布置于牵引部件之后。
原则上，本发明已经能够有利地应用在限于冷却或者加热运行的制冷剂循环中。另外，特别有意义的还有本发明的变型方案，其中在加热运行方式中所述第二传热器的加热传热器和在冷却运行方式中所述第二传热器的冷却/除湿传热器能够在制冷剂循环中为了冷却内部空间而被制冷剂穿流。尤其结合制冷剂循环的穿流方向的反转，能够由此实现根据本发明的调温装置的特别实用并且有能源效率的实施方式。
附图说明
本发明允许大量的实施形式。为了进一步地明确它们的基本原理，在附图中示出了并且在以下描述其中一个实施形式。在附图中，
图1示出了根据本发明的具有设计为微通道冷却器的第一传热器的调温装置的线路图；
图2示出了微通道冷却器的立体图；
图3示出了在第一运行状态下剖切微通道冷却器的微通道得到的横截面；
图4示出了在结冰之后的第二运行状态下剖切微通道冷却器的微通道得到的横截面；
图5示出了具有不同的、能够依次被穿流的区域的微通道冷却器的另外的运行状态。
具体实施方式
以下根据图1至图5详细阐述根据本发明的调温装置1。为此首先在图1中示出各个部件的穿流。可以看出的是，调温装置1一方面包括配属于内部空间的制冷剂循环2和受到环境空气的空气迎流V的冷却剂循环3。制冷剂循环2和冷却剂循环3在流体技术上分隔地为了传热而通过第三传热器4连接。调温装置1的制冷剂循环2用于调节未示出的机动车的内部空间的温度，而在冷却剂穿流的冷却剂循环3中，布置电的牵引部件5和能够被环境空气迎流的第一传热器6。
在制冷剂循环2中布置有用于压缩制冷剂的压缩机7以及分别布置有多个用于使制冷剂膨胀的膨胀元件8和用于导流的止回阀9，使得它根据热泵的原理以特别有效的方式工作。接入制冷剂循环2中的、用于调节待输入内部空间的空气的温度的第二传热器10能够通过在作为加热传热器的加热运行方式中和在作为冷却/除湿传热器的冷却运行方式中的穿流的反转运行，并且由此在加热运行方式中用于使内部空间变暖，以及在冷却运行方式中用于内部空间的冷却。
根据本发明，第一传热器6设计为具有多个至少区段性地平行延伸的微通道11的微通道冷却器，其中在第一平面中的相邻的微通道11的间距a与至少一个另外的平面的相邻的微通道11的间距a不一致。另外，不同的相邻的第一平面E1、第二平面E2和第三平面E3的相邻的微通道11的间距A不一致。
迎流侧的、空气侧的入口处的各个微通道11之间的更大的间距a实现了，在实践中当环境温度较低时在内部空间的加热运行中出现的结冰不会使空气侧的压力损失增加或者只会使空气侧的压力损失极有限地增加。在此，对于微通道冷却器的性能有益的是，微通道11的间距a在微通道冷却器的背离空气迎流V的、后部的区域中比在面向空气迎流V的区域中更小，并且从而改善热传递。由于通常在微通道冷却器的空气迎流侧的区域处的结冰和因此冰层12的层厚度D大于在微通道冷却器的背离空气迎流V的区域中的冰层厚度d，因此在这个背离空气迎流V的区域中的微通道11的较小间距a对于空气侧的压力损失的增长并不关键。
在图5中还示出本发明的其它变型方案，其中，分别相邻的第一平面E1、第二平面E2和第三平面E3的微通道11成对地组合为微通道11的组G1、G2、G3。各个单独的组G1、G2、G3的微通道11在运行中这样依次地被穿流，使得沿冷却剂的流动方向首先是远离空气迎流V的组G1被穿流，并且接下来是朝向空气迎流V的其它组G2、G3被穿流。由此在各个单独的微通道11处进行针对不同的微通道11几乎一致的空气冷却。因此，在各个单独的微通道11处几乎以一致的速度和层厚d实现结冰。
附图标记清单
1 调温装置
2 制冷剂循环
3 冷却剂循环
4 传热器
5 牵引部件
6 传热器
7 压缩机
8 膨胀元件
9 止回阀
10 传热器
11 微通道
12 冰层
a、A 间距
d、D 层厚度
E1 第一平面
E2 第二平面
E3 第三平面
G1、G2、G3 组
V 空气迎流

Claims (11)

1.规定使用在机动车中的调温装置(1)，所述调温装置(1)用于调节机动车的内部空间和/或部件的温度，所述调温装置具有至少一个能够供冷却剂穿流的冷却剂循环(3)，在所述冷却剂循环(3)中布置电的牵引部件(5)和能够被环境空气迎流的第一传热器(6)，所述调温装置(1)具有至少一个能够供制冷剂穿流的制冷剂循环(2)，在所述制冷剂循环(2)中布置有至少一个用于压缩制冷剂的压缩机(7)、至少一个用于使制冷剂膨胀的膨胀元件(8)、至少一个用于调节待输入内部空间的空气的温度的第二传热器(10)，并且调温装置(1)具有至少一个布置于冷却剂循环(3)中和制冷剂循环(2)中的用于在冷却剂和制冷剂之间传递热量的第三传热器(4)，其中，调温装置(1)能够在至少一种用于使内部空间变暖的加热运行方式中以及在至少一种用于冷却内部空间的冷却运行方式中运行，其特征在于，
所述第一传热器(6)设计为具有多个至少区段性地平行延伸的微通道(11)的微通道冷却器，并且，
所述微通道(11)垂直于空气迎流(V)的方向地布置在多个相互平行地以间距布置的平面中。
2.按照权利要求1所述的调温装置(1)，其特征在于，
第一平面(E1)中的相邻的微通道(11)的间距与第二平面(E2)中的相邻的微通道(11)的间距不一致。
3.按照权利要求1或2所述的调温装置(1)，其特征在于，
面向空气迎流(V)的第一平面(E1)中的相邻的微通道(11)的间距大于在至少一个沿空气迎流(V)的流动方向处于所述第一平面(E1)之后的第二平面(E2)中的相邻的微通道(11)的间距。
4.按照权利要求1所述的调温装置(1)，其特征在于，
第一平面(E1)的微通道(11)形成微通道(11)的第一组并且第二平面(E2)的微通道(11)形成微通道(11)的另外一组，并且微通道(11)的至少两组能够依次地被冷却剂穿流。
5.按照权利要求4所述的调温装置(1)，其特征在于，
在背离空气迎流(V)的区域中的微通道(11)的组能够在面向空气迎流(V)的区域中的微通道(11)的组之前被穿流。
6.按照权利要求1所述的调温装置(1)，其特征在于，
在冷却剂循环(3)中设有导流元件，用于有选择地使冷却剂输入第三传热器(4)和/或绕过第三传热器(4)输入旁路。
7.按照权利要求6所述的调温装置(1)，其特征在于，
所述导流元件沿冷却剂在冷却剂循环(3)中的流动方向布置于所述电的牵引部件(5)之后。
8.按照权利要求1所述的调温装置(1)，其特征在于，
在加热运行方式中所述第二传热器(10)的加热传热器和在冷却运行方式中所述第二传热器(10)的冷却/除湿传热器能够在制冷剂循环(2)中为了冷却内部空间而被制冷剂穿流。
9.按照权利要求1所述的调温装置(1)，其特征在于，
为了冷却或者加热内部空间，所述制冷剂循环(2)的穿流方向能够反转。
10.按照权利要求1所述的调温装置(1)，其特征在于，所述电的牵引部件(5)用于驱动机动车。
11.按照权利要求6所述的调温装置(1)，其特征在于，所述导流元件是止回阀(9)。
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