CN1204284A - 空调系统用的换热器装置 - Google Patents

Abstract

用于空调系统内特别是用于汽车或其它车辆进行空调的换热器装置,它包括第一与第二换热器元件(30,31),该元件为传热介质界定出独立的第一与第二流道(32,33)。热电单元(45)如珀尔迪元件分别设在第一和第二换热器元件之间并有与其作导热接触的相对的加热与冷却面。各换热器元件(30,31)之中界定出弯曲的流道(32,33)而其所具长度相当于换热器元件最大尺寸的若干倍,或界定出若干各具有很小横截面积的共同延伸的流道。各流道(32,33)最好是形成于换热器元件(30,31)侧面上的通道或槽,而此侧面和其中形成的通道则由盖板(43,44)封闭。热电单元(45)此时可设在第一与第二换热器元件(30,31)的盖板(43,44)之间。

Description

空调系统用的换热器装置

本发明涉及空调系统用的，特别是汽车车厢内或其它车辆车厢内空调用的换热器装置。

包括热电冷却单元的汽车用空调系统已公开于美国专利NO．3，236，056以及瑞典专利申请NO．8704395中。这些文件中所公开的空调系统包括一或多个热电单元，它们夹装在矩形横截面的直的水管之间并构成传热回路的一部分。

已知的这种空调系统具有较小的冷却能力，这可能就是上述文件对于必须为此种系统的热电单元提供电能的能源保持缄默的原因。这样的能源显然应该是其中已装有这类空调系统的现有标准汽车内业已存在的标准电池与供电系统。

本发明的目的在于提供用于上述类型空调系统中的换热器装置，利用它可以显著地提高空调系统的能力和／或效率。

本发明的换热器装置包括：第一与第二换热器元件，它们在其中为传热介质限定出独立的第一与第二流动通道；以及热电单元，例如所谓的珀尔迪元件，它们设在上述第一和第二换热器元件之间，并各自具有与第一和第二换热元件作导热接触的相对的加热表面和冷却表面；本发明的换热器装置的特征在于，所述各换热器元件在其中界定出一条曲折的流道而此流道的长度是上述换热器元件最大尺寸的若干倍；或是界定出许多共同延伸的独立流道，其中的每个独立流道的横截面积都很小。

本发明的换热器装置能确保在有效地冷却热电单元的加热侧的同时，有效地加热这些单元的冷却侧，由此可以提高空调系统的总体热效率。此外，通过采用适当个数的热电单元并相应地设定换热器装置的尺寸，可使空调系统的能力与所需要的相符。

在这种换热器元件中任何一个内所形成的流道可以包括两或多个曲折的共同延伸的流道或是多条沿换热器纵向延伸的基本上是直的流道。举例来说，各个换热器元件可以限定出一或独立的几条基本覆盖接触热电单元件整个区域的曲折流道，或是一批沿换热器元件的纵向延伸的相邻的独立流道。为了获得基本上是相同的效果，此一或多条流道的横截面积或总的横截面积在这不论哪一种情形下都应基本上相同。

所述热电单元例如可以是Marlow工业公司出售的，如型号为SP1996的。

原则上说，这种换热器装置可取任何能允许所选个数的热电单元得以夹装在换热器元件之间的合适形状。但在最佳实施形式中，此种换热器元件则具有扁平的块状形，从而允许相对于换热器装置的总容积可在此装置内包括最多个数的热电元件。

从平面图上看，上述换热器元件可取任何适当形状。但各换热器元件最好是细长形，而且可以取例如是矩形。业已发现，当各个换热器元件的因而是热交换装置的纵向最大尺寸显著地超过此元件或装置的横向最大尺寸时，可以改进换热器的效率。这样，这里的长度或纵向尺寸可约为横向尺寸或宽度的两倍或更多。

当所述流道或几条流道(即各个换热器元件限定出两或多条独立的共同延伸的流道时)的横截面积同此换热器元件接触热电单元或珀尔迪元件的面积之比是在0．4×10^-3和0．2之间，而最好是在1×10^-3与40×10^-3之间时，可使此换热器装置获得最佳的效率或最佳的有效系数，在本最佳实施例中所述比值在2．5×10^-3与7．5×10^-3之间。

上述曲折的流道例如可以通过钻孔和堵塞钻出的通道的某些开口端而形成于块形金属试样中。但这种在所述第一和第二换热器元件中至少一个之内的流道最好是形成在此种元件侧面中的通道或槽。形成有通道或槽的侧面则可用任何适当的方式，例如用膜或箔盖住或封住而形成曲折的流道。可以用同样的方法或挤压换热元件来形成直的流道。

在最佳实施形式中，此第一与第二流道是形成在第一与第二换热器元件的相对而邻近的侧面上。然后可用盖板或箔至少沿各换热器元件的边界封住各元件中的槽或通道。再把这种板状的热电元件或珀尔迪(Peltier)元件例如用导热糊剂或粘合剂固定于第一与第二换热器元件的盖板之间。也可以用或另外再使用可松释的紧固装置如螺丝或螺栓将的盖板之间。也可以用或另外再使用可松释的紧固装置如螺丝或螺栓将这些换热器元件夹合到一起，这样就能在换热器元件和夹装于其中的热电单元之间调节出最佳的单位接触压力。

限定在换热器元件中的曲折流道可以取任何所需的形状，来确保在流过此流道的通常为水或含水流体的导热介质和热电单元相邻侧面之间能良好的传热。但最好是使第一与第二流道中的至少一个取一或多个曲折构型，这已得到证明是特别有效的。

由换热器元件所限定的各个流道有入口和出口，它们可以设在元件的任何适当位置上。各个换热器元件最好把入口与出口设在同一端。例如，第一换热器元件可使其入口与出口设在一端，而第一换热器元件则可使其入口与出口位于换热器装置的相对端。在此情形下，空调系统的用于传热介质的回路必须只同换热器装置的一端连接。

各个换热器元件可呈大致长方体的轮廓，而各元件中限定的流道则可以在换热器元件的各端包括一横向延伸的曲折形流道段，后者又与一纵向延伸的弯折形流道段相连。这种流道构型已证明是特别有效的。

本发明的换热器装置可取任何所需的尺寸与形状，使得能在换热器元件中夹装所需个数的热电单元或珀尔迪元件。据此可以使包括有这种换热器的空调系统获得任何所需的冷却能力。

当这种换热器装置包括许多个热电单元或珀尔迪元件时，最好将它们分成若干组，各组中的热电单元则加以电气串联而各个组之间则相互电气关联。这样布置的优点是当某个组中有一个热电单元万一被击穿时，只是这个组失效。

尽管包括本发明的换热器装置的空调系统有颇高的热效率，但标准汽车中的标准供电系统在需要有良好的冷却能力时则常不能充分地提供电能，对于此换热器装置的热电元件也是如此。这样就必须从包括由进行空调的车辆的发动机所驱动的电流发生器在内的独立供电系统，来给换热器装置的热电单元供电。

为获得热电单元最大的功能，应该使在热电单元加热侧相邻流道中流动的流体的传热能力，显著地超过在邻近热电单元冷却侧流道中流过的介质的传热能力。为达到此目的，可以用三个叠置的换热器元件来形成换热器装置，而形成在两个外部元件中的流道则相互连接。然后可将热电单元设置在内部的换热器元件与任何一个外部元件之间，使热电单元的加热侧与两个外部元件接触，而以其冷却侧与内部的换热器元件接触。不过在这一最佳实施例中，此换热器装置只包括一对换热器元件，而与热电单元加热侧相邻的流道的长度这时可以比与热电单元冷却侧相邻的其它流道的长。

换热器元件应由具有良好导热性的材料制成。例如，第一与第二换热器元件最好由铝、铜和／或它们的合金制成。

本发明还提供用于室内，例如用于车辆车厢内的空调系统，这种系统包括上述的本发明的换热器装置，此装置的第一与第二流道分别包括在第一与第二封闭的液体回路中，每条液体流道包括散热器和用来使液体通过其中循环的装置。这类散热器之一可以设在采用了上述空调的室内，而另一则设在室外。当把这种空调系统用来调节车厢内的空气时，前述液体回路之一可以包括用于驱动此车辆的内燃机的液冷系统的一部分。车厢内的散热器可以有选择地由来自驱动发动机的热水或来自换热器装置的冷水供给。

下面参考附图详述本发明，在附图中：

图1概示汽车用的本发明的空调系统；

图2是以放大比例示明的换热器装置的顶视平面图；

图3是沿图2中Ⅲ-Ⅲ线的纵剖面视图；

图4是沿图2中Ⅳ-Ⅳ线的横剖面视图；

图5与6是平面图，示明图2～4中所示换热器装置各元件中形成的液体通道的平面图，而

图7概示了图1所示系统的改进了的实施例。

图1概示了业已安装在具有驱动内燃机10的标准汽车中的空调系统。发动机10驱动一另设的电流发生器11给电路12供给电流，此电路包括通／断开关13、一对继电器14、一对保险丝15和一个点火开关16。此汽车的厢内加热系统包括封闭的冷却水回路17，后者则包括发动机10的冷却水套和散热器18，后者设在汽车的车厢内并同一鼓风机或风扇19相结合。车厢内的空气可以通过控制风扇9以常规的方式加热，同时热的冷却水流通过散热器18循环。

冷却水用的第二水回路20包括水泵21，而螺线管阀22与部分水回路17连接以包括上述车厢散热器18，此第二水回路20还包括图2～6中所示并将在后面说明的换热器装置23的冷流通道。

图1所示的空调系统还包括第三封闭的液体回路24，后者包括：换热器装置23的热流通道23、循环泵25、设在车厢之外并结合有吹风机或风扇27的散热器26以及液体膨胀池28。前述车厢散热器18还可以借助螺线管阀29与发动机10的水冷外套脱开。

下面来更详细地描述换热器装置23。装置23包括一对由金属例如铝制的板状元件30和31。在各个元件30与31的侧面中形成有曲折的通道或槽32与33。形成于元件30中的通道包括设在基本上呈矩形的元件的一端处的弯曲形通道段34、设在此元件相对端处的相应的弯曲形通道段35、以及一相互连接的纵向延伸的弯曲形通道段36。端部通道段35与一液体入口37连接，而端部通道段34则经由一纵向延伸的直通道段39与液体出口38通连。沿元件30的周边设有通孔40而沿着元件30的中心线设有通孔41。在通道段34～36的外侧形成有用来纳置密封环或圈的环形槽42。

除了板状件31中的通道33的总长显著地大于元件30中通道32的总长这一事实外，元件30与31是相似的。因此，图6中所用的标号与图5中的相同。但在图6中于标号的右上角加有一撇。

各个板状元件30与31中的通道或槽32与33分别覆盖有薄的导热盖板43与44，盖板的每一块分别与位于密封圈槽42与42′中的密封垫或密封环作密封配合。如图3与4所示，在盖板43与44之间夹设着若干板状珀尔迪元件45组成的装置，得以基本覆盖住密封垫槽42内的整个区域。元件30与31以及它们的盖板43与44还有设在它们之间的珀尔迪元件，由穿过对准的孔40、40′与41、41′的螺栓46或类似的可松释紧固装置夹紧到一起。

珀尔迪元件最好用Marlow工业公司出售的SP1996型的这种。所述换热器装置，例如可包括有十二个珀尔迪元件，它们可分为六组，每组包括一对串联的元件。这六组珀尔迪元件中的各组则相互并联地进入电流供应电路12，使得板状元件30位于珀尔迪元件45的冷却侧上，而使板状元件31位于珀尔迪元件的加热侧上。

图5与6中所示的弯曲通道或槽32与33可以由在各个元件纵向中延伸的若干直的，基本上平行的独立通道置换。此时，图4所示各通道或槽的横截面积要小得多。当这种通道或槽是直的时，各个元件30与31以及相应的盖板43或44可通过挤压作为相关的部分形成。

换热器装置23最好是隔热的并由吸振装置支承。隔热的装置，例如，可用泡沫塑料，后者还起到吸振作用。

图1所示的空调系统的作业情况如以下所述。当通／断开关13处于其“断开”位置时，螺线管阀29在阀22关闭时即打开。在此状态下，车厢散热器18与吹风机19可以按通常方式加热厢内的空气。

当将开关13移至其“接通”位置时，阀29关闭而阀22打开，同时电流供给换热器装置23的珀尔迪元件45、泵21与25以及风扇27。第二水回路20中的水此时将循环通过换热器装置23中通道32所限定的流道，借此使水以实际上属周知的方式由珀尔迪元件45有效地冷却。流过车厢散热器18的冷水现在将由吹风机19冷却在车厢内循环的空气。与此同时，珀尔迪元件45的加热侧将通过泵25，由在包括有换热器装置23的通道33的第三水回路24中循环的水或其它液体冷却。从换热器装置23中除去的热经外侧散热器26释放到外部空气中。

在图7所示的空调系统中，与图1中所示类似的部件已用相同的标号指明。在图7所示的实施例中。第二水回路设置成与冷却水回路17相独立且包括与吹风机19相对的独立的散热器47，还包括有液体膨胀池48。此外，所述系统的各种电气装置的工作由电控制单元49控制。应知图7所示的空调系统可以安装到汽车之内而不会妨碍此汽车中原有的电气和冷却系统。

图2～6所示的换热器装置长330毫米、宽152毫米而总的厚度为51毫米。板状件30中通道32的横截面尺寸为9×14毫米而板状件31中通道31的横截面尺寸为6×14毫米。此换热器装置包括12个购自Marlow工业公司的SP1996型珀尔迪(Peltier)元件。这些元件分成相互并联的六对，每对则取串联形式。

在从车厢内的显著高于环境温度的温度冷却下来的过程中，此换热器装置是在给珀尔迪元件施加27．2伏电压的42．1安倍的直流电下工作。因此，功率消耗为1145瓦／小时。水或含乙二醇的水在此换热器装置的回路20与24中循环并通过相关的通道或槽32、33。通过珀尔迪元件冷却侧的通道32的流量在0．6～0．8巴压力下为6升／分。由散热器18导致车厢所能取得的冷却速率相当于1000瓦／小时。

强制通过包括有通道33在内的液体回路24中的液体，是借助泵25，于0．6～0．8巴压力下取6升／分的流量。

所述系统的有效系数可计算如下： $\frac{1000W\×100}{1145W}=87.4\%$

Claims (20)

1．用于空调系统内的换热器装置，所述换热器装置(23)包括：第一与第二换热器元件(30，31)，它们限定出传热介质用的独立的第一与第二流道(32，33)；以及热电单元(45)，它们设在上述第一和第二换热器元件之间，并各自具有与此第一和第二换热器元件作导热接触的相对的加热表面和冷却表面，

其特征在于，所述各换热器元件(30，31)在其中界定出曲折的流道(32，33)而此流道的长度是所述换热器元件最大尺寸的若干倍；或是界定出许多共同延伸的独立流道而其中每个独立流道的横截面积都很小。

2．根据权利要求1所述的换热器装置，其中各个换热器元件(30，31)都呈扁平的块状形。

3．根据权利要求1或2所述的换热器装置，其中各个换热器元件取细长的，最好是基本上呈矩形的形状。

4．根据权利要求3所述的换热器装置，其中各个换热器元件的最大纵向尺寸显著地超过其最大的横向尺寸。

5．根据权利要求1～4中任一项的换热器装置，其中所述流道的横截面积或总的横截面积同此换热器元件接触热电单元或珀尔迪元件的面积之比是0．4×10^-3和0．2之间，而最好是在1×10^-3与40×10^-3之间。

6．根据权利要求5的换热器，其中所述的比是在2．5×10^-3与7．5×10^-3之间。

7．根据权利要求1～6中任一项所述的换热器装置，在所述第一和第二换热器元件(30，31)的至少一个之中的所述流道是形成在此换热器元件侧面中的通道或槽。

8．根据权利要求7所述的换热器装置，其中所述第一与第二流道是形成在第一与第二换热器元件(30，31)的相对邻近的侧面上。

9．根据权利要求7或8所述的换热器装置，其中所述各换热器元件(30，31)中的通道或槽(32，33)是由沿换热器元件的边界密封到此元件上的盖板(43，44)所覆盖。

10．根据权利要求8或9所述的换热器装置，所述板状件热电单元(45)是设在第一与第二换热器元件(30，31)的盖板(43，44)之间。

11．根据权利要求1～10中任一项所述的换热器装置，所述的换热器元件(30，31)是由可松释的紧固装置如螺钉或螺栓(46)紧固到一起的。

12．根据权利要求1～11中任一项所述的换热器装置，所述第一与第二流道(32，33)中的至少一个限定一或多个弯曲形构型(34～36)。

13．根据权利要求1～12中任一项所述的换热器装置，各个换热器元件(30，31)的流道(32，33)具有设在换热器元件(30，31)一端上的入口与出口(37，38)。

14．根据权利要求12与13所述的换热器装置，各个换热器元件(30，31)具有基本上呈矩形的轮廓，界定在此各元件中的流道(32，33)包括在换热器元件各端处的横向延伸的弯曲形流道段(34，35)，后者与纵向延伸的弯曲形流道段(36)互连。

15．根据权利要求1～14中任一项所述的换热器装置，它包括分成若干组的许多热电单元(45)，各组中的热电单元电气地串联，而各个热电单元组则相互电气地并联。

16．根据权利要求1～15中任一项所述的换热器装置，与热电单元(45)加热侧相邻的流道(33)的长度，比另一与热电单元的冷却侧相邻的流道(32)的长度要长。

17．根据权利要求1～16中的任一项所述的换热器装置，所述第一与第二换热器元件(30，31)是由导热材料如铝、铜和／或它们的合金制成。

18．根据权利要求1～17中的任一项所述的换热器装置，它适用于在汽车车厢内进行空调之需。

19．室内例如汽车车厢内用的空调系统，此系统包括权利要求1～18中任一项所述的换热器装置(23)，此换热器装置的第一与第二通道(32，33)分别包括在第一与第二封闭的液体回路(20；24)中，各个液体回路包括散热器(18，27)以及用于使液体在其中循环的装置。

20．根据权利要求19所述的用于调节车厢内空气的系统，其中第一液体回路(20)包括驱动车辆的内燃发动机(10)的液冷系统(17)的部分。

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