CN1902453A - 用于超临界制冷循环的热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热交换器(1)，特别是用于超临界制冷循环。所述热交换器包括一个由管(R)和翅片构成的芯体。一种气态介质，特别是空气掠过翅片。第二种介质，特别是制冷剂，相对于气态介质以一种交叉逆流的方式穿流过布置成至少四个管列(1.1、1.2、1.3、1.4)的管(R)。

Description

用于超临界制冷循环的热交换器
技术领域
本发明涉及一种特别是用于超临界制冷循环的热交换器。
背景技术
由于制冷过程是在最大约为120bar的高压下进行，所以用于超临界制冷循环的热交换器要求管和集流器具有耐压的结构。这种热交换器已在DE-A199 06 289、DE-A 100 07 159以及WO 98/51983 A中公开。这种已公开的热交换器有时在以CO2(R744)为工作介质的超临界制冷循环中用作气体冷却器；它的特征基本在于一个包括两个集流管的单列结构，即由挤压成形的多室管构成的一列扁平管，管的端部固定在集流管中并通过例如钎焊密封。如DE-A 100 07 159所述，制冷剂呈蛇形在气体冷却器中穿流，也就是说具有多流程，其中，制冷剂在一个垂直气流方向的平面内折流，即在气体冷却器的高度上或宽度上折流。
在一种由EP-B 414 433公开的制冷剂冷凝器中，两个单列的热交换器沿气流方向前后排列，并在制冷剂侧串联(即所谓的双热交换器)。在这种公开的冷凝器中，制冷剂和空气以相互交叉逆流的方式流动，也就是说，制冷剂从背风侧的热交换器(管列)进入，并通过迎风侧的热交换器(管列)离开冷凝器。其中，热交换器的每个管列分成管组或管段，这样就使待冷凝的制冷剂的流体端面逐渐减小。管列由挤压成形的扁平管构成，在它们之间布置着波纹翅片。每个管列与集流管一起形成了一个热交换器单元，它与另一个热交换器单元通过管件在制冷剂侧相连。
EP-B 401 752中则公开了一种类似的多列热交换器，即一种汽车空调系统制冷剂冷凝器。在这里，制冷剂是一种的传统制冷剂如R134a，它也是和周围空气以交叉逆流的方式流动，其中，一般有四个管列在空气侧前后排列。这里的管是带有平翅片的圆管，也就是说，这里是一个机械连接而成的热交换器芯体。
在汽车空调系统中，在汽车发动机舱中的冷凝器布置在冷却液/空气冷却器之前。从冷凝器排出的热空气紧接着穿流经过冷却液/空气冷却器。这种布置也用于本文开头所提及的那种CO2空调系统的气体冷却器，因此，这种单列结构的端面相对很大，以配合位于其后的冷却液/空气冷却器。这种结构和布置具有各种缺点：一方面，气体冷却器布置在冷却液冷却器之前会影响冷却液冷却器的有效功率，这是由于气体冷却器一方面使压力侧的压降加大，而另一方面又将自身的热量散发到穿流而过的空气中从而使空气变热。在另一个方面，布置在冷却液冷却器之前的气体冷却器根据行驶速度或风机功率在特定的运行点只接受一定数量的空气。也就是说，汽车的空气调节从外部来说取决于汽车的行驶状态。因此，一个作为本发明的基础的问题在于，制造一种特别是用于超临界制冷循环的热交换器以避免上述缺陷。
J.M.Yin，C.W.Bullard和P.S.Hrnjak在论文“Design Strategies for R744Gas Coolers”(发表在IIF-IIR Commission B1，B2，Purdue University USA-2000上)中将气体冷却器的两种结构放在一起进行了比较，即所谓的多程热交换器(multi-pass heat exchanger)，也就是单列的、被多程穿流的热交换器，和多列的逆流热交换器，后者中设置了三个在制冷剂侧串联的管列。由于制冷剂CO2(R 744)在超临界的状态下即以单相进入到气体冷却器中，它具有一个相对很高的温度梯度，这与在恒温下冷凝的传统制冷剂(R134a)不同。这个温度梯度在一个三列的逆流热交换器中可以被有效地减少，因此论文作者优先地选择了这种方案。J.Peterson、A.Hafner和G..Skaugen在他们的论文“Development of compact heat exchangers für CO2 air-conditioning systems”(发表在Int.J.Refrig.Vol.21，No.3pp.180-193，1998上)中也得出了类似的结论。并且文中也描述了这种逆流热交换器(counter flow heat exchanger)，它具有一个较小的端面，并且在气流方向上的深度加大，从而成为具有优点的气体冷却器。
发明内容
本发明的目的是提出一种本文开头所提及的热交换器，它考虑到超临界制冷循环的条件如压力和温度梯度，并具有尽可能高的性能系数(COP，即Coefficient of Performance)。此外，这种热交换器的尺寸应使它能够方便地安装在汽车的发动机舱中，并有足够的冷却空气供给它。
这个目的由具有权利要求1所述特征的热交换器实现。根据本发明，这种优选地以逆流方式运行的热交换器具有至少四个管列，它们沿气流方向前后排列。逆流在这里是指，优选为CO2的流动介质首先进入到背风侧的管列中，然后再从迎风侧的管列流出。因此，进入到热交换器中的冷却空气将遇到已经在至少三个管列中冷却或预冷却的流动介质。在这四个被介质依次穿流的管列中，温差大约为100摄氏度的温度梯度在足够低的压降条件下在空气侧被有效地减少。通过热交换器的至少四列的结构，端面被缩小，从而使热交换器具有紧凑的尺寸，接近于一个立方体。这样就具有以下的优点：热交换器，特别是当它作为汽车CO2空调系统中的气体冷却器时，可以安装在汽车发动机舱中的任一位置。这样，它就不再布置在冷却液冷却器之前，因为这种布置具有前文中所述的缺点。热交换器的冷却可以通过另外的空气通道和一个特殊的风机进行。因此也使它不再受汽车行驶状态的限制，从而也保证了汽车内部空气调节的稳定。此外，根据本发明的热交换器的性能系数(COP)并不低于可比的、根据现有技术的热交换器。
按照本发明的一个优选实施形式，至少五个或最佳的是六个管列前后排列。这样在不明显加大空气侧的压降及重量的情况下，进一步提高了热交换器的功率。
按照本发明的另一个优选实施形式，管为扁平管，优选为挤压成形的多室管，并且翅片为波纹翅片，它们共同形成一个钎焊而成的、耐压的、功率高的热交换器芯体。
在本发明的另一个优选实施形式中，一个列的所有管被平行穿流，并且各管列优选地被依次穿流，其中，从管列到管列之间分别出现所谓在深度上的折流。因此，各管列被交替地从上往下再从下往上穿流。这样，流动介质在管中就具有了更长的流路，从而被有效地冷却。
在本发明的优选实施形式中，各管列具有管段或管组，它们可被依次穿流——流动介质则在一个管列的“宽度上”折流。这样就实现了以下优点：流动介质的流路更长，被冷却程度更高。
在本发明的优选实施形式中，若干或全部的管列可以被分成管段，这样可以进一步延长流路。管段中管的数量大致等于管列中管的数量的一半，但也可以是其它的数量，从而形成各不相同的管段。这样，举例来说，在管水平布置的情况下，在芯体下部或上部区域的流体速度就发生变化，从而也改变了传热。
在本发明的优选实施形式中，每个管列具有各自的波纹翅片，也就是说，相邻管列的波纹翅片之间为隔热或绝热。这样就使流动介质被最大程度地冷却。
但在本发明的其它实施形式中，也可优选地为相邻的管列，例如两个管列，设置一个共同的即连续的波纹翅片。这主要是在制造方面具有优点。
在本发明的其它优选实施形式中，为所有的管列设置了一个共同的、连续的波纹翅片，也就是说在各管列之间形成热耦合。这样，就形成了流动介质的另一个温度曲线。
在本发明的优选实施形式中，相邻管列的管对准中心布置，这对于例如连续的波纹翅片来说是必需满足的条件。这样在空气侧的压降就会减少。
但在本发明的其它实施形式中，管也可以相互错位布置，这虽然会使空气侧的压降加大，但却提高了热交换器的功率。
在本发明的其它实施形式中，热交换器的端面为正方形，或者在高度和宽度上接近一个正方形。宽度与高度之间的优选比例关系为0.8到1.2。其优点在于，一个在端面之后或之前的风机就足以满足冷却空气的输送，因为它足以覆盖端面。
在本发明的另一个优选实施形式中，端面的面积为4到16dm2。这样，与传统的热交换器相比，在深度同时加大的情况下，端面缩小，也就是说，热交换器具有一个紧凑的、近似于立体形的形状，并可以布置在发动机舱中任一位置。而冷却液冷却器的功率就不会再受到位于它前面的冷凝器或气体冷却器的影响。
在本发明的另一个优选实施形式中，上述的热交换器具有多处改进，并被用作以CO2为工作介质的汽车空调系统的超临界制冷循环中的气体冷却器。这样，上述所有优点都被实现。
附图说明
下面通过实施例和附图对本发明进行详细说明。其中，
图1a、1b、1c分别是根据本发明的热交换器所具有的四列、五列和六列结构的示意图，
图2a、2b中是具有四列结构的热交换器，其中，最后的两或三列分成了管段，
图3a、3b中是根据本发明的、具有四列结构的热交换器，其中，所有的列分成了带有相同或不同布置的管段，
图4中是根据本发明的热交换器，它包括扁平管和被隔热的波纹翅片，
图5中是根据本发明的、具有四列结构的热交换器，其中，每两个相邻的管列具有一个共同的波纹翅片，
图6中是根据本发明的、具有四列结构的热交换器，它带有连续的波纹翅片，
图7中是根据本发明的、具有四列结构的热交换器，它带有错位布置的管，
图8是显示热交换器的功率与管列数量之间关系的曲线图，其中，每个管列具有一个管段，
图9是与图8相似的曲线图，但每个管列具有两个管段。
具体实施方式
图1a、1b和1c是根据本发明的热交换器的第一实施例的示意图，所述热交换器被设计为用于超临界制冷循环的气体冷却器。这种气体冷却器尤其是可以用于以CO2(R744)作为制冷剂的汽车空调系统。
在图1a中是一个四列的管系统，它用于一个被制冷剂CO2穿流并被周围空气冷却的气体冷却器1，而气流方向用箭头L表示。气体冷却器1具有四个沿气流方向前后排列的管列1.1、1.2、1.3、1.4，它们分别具有相互平行的管，这些管在图中用箭头R表示。1.1到1.4中的每个管列具有相同数量的管，各自被平行穿流。各管列在制冷剂侧串联，也就是说，它们通过由虚线箭头V表示的制冷剂连接相互连接在一起。这种连接V被称为制冷剂“在深度上”的折流，在这里，深度方向与气流方向L相反。制冷剂首先进入背风侧的列1.1，这一过程由一个虚线箭头E表示，然后制冷剂在各管列中穿流并在深度上三次折流，在迎风侧的列1.4中穿流后通过出口A离开气体冷却器，这一过程由一个虚线箭头A表示。空气和制冷剂的这种流体模型被称为交叉逆流。制冷剂CO2在进入气体冷却器即管列1.1时，压力大致为125bar，温度大致为130摄氏度。通过管列1.4进入气体冷却器1的空气的温度约为45度。由于CO2空调装置在超临界区域工作，所以散热不是通过在恒定温度下的冷凝——如在具有R134a的制冷循环的情况下——进行，而是在温度不断下降的情况下，例如在一个从130摄氏度到大约50摄氏度的温度梯度下进行。这种80摄氏度的温差随着在各管列1.1到1.4中的穿流逐步递减。上述数值仅是举例，在一些情况下温差还会更大，例如为大约100摄氏度。气体冷却器1具有一个所谓加肋的端面，即管列1.4的表面，它被空气加载，并且大小为B×H(宽度×高度)。上述定义适合所有符合本发明的气体冷却器。
图1b中是本发明的另一个实施例，即一个气体冷却器2具有五个管列2.1、2.2、2.3、2.4、2.5，它们沿气流方向L前后排列，并在制冷剂侧串联。在这里，和图1a中相同的部件使用相同的标记：制冷剂在E处进入，在A处流出，各管列通过连接V相互连接。因此，气体冷却器2与气体冷却器1的区别在于多了一个管列，这样就使气体冷却器2的功率相对于气体冷却器1而提高(参见图8)。
图1c中是本发明的另一个实施例，即一个气体冷却器3具有六个管列3.1到3.6。它也是以与图1a和1b中相同的流体模型即交叉逆流为基础。制冷剂在E处进入后，直到制冷剂从A处流出，它在深度上沿与气流方向L相反的方向进行了五次折流V。这些在示意图中所示的气体冷却器1、2、3在结构上通过本文开头所提及的现有技术中的方式形成，举例来说，由并联的、挤压成形的多室管形成，它们的管端固定在集流管中并密封。连接V可以通过弯管或折流室实现。
图2a和图2b中是本发明的另一个实施例，在这里，在一个管列之内，折流在宽度上进行(或者也在高度上)，即在管列的平面之内。
图2a是气体冷却器4的示意图，它具有四个管列4.1、4.2、4.3、4.4，以及一个制冷剂进口E、一个制冷剂出口A和各管列4.1到4.4之间的连接V，即在深度上的三次折流。两个首先被制冷剂穿流的管列4.1、4.2是被平行穿流的，而在随后的管列4.3、4.4中制冷剂在宽度上折流(对于沿水平画出的管而言，它是在高度上的折流)。管列4.3被分成两个管段(管组)3a、3b，它们分别由在方向上相反的三个及两个箭头表示，管列4.4则被分为两个管段4a、4b。从管段3a到管段3b的折流由箭头U表示，而从管段4a到管段4b的折流则由另一个箭头U表示。因此，制冷剂在管列4.3、4.4中所经过的流程是在管列4.1、4.2中两倍，同时，从附图中可以看出，将管列4.3、4.4分成管段时，管段的划分是不同的。
图2b中是图2中所示的气体冷却器5的实施例的进一步改型，它同样具有四个管列5.1、5.2、5.3、5.4。在这里，对于相同的部件或符号也使用了相同的字母标记。第一个管列5.1被平行穿流，而之后的管列5.2到5.4则分别在宽度上出现折流U，在这里，管列5.2到5.4对称地分成相同的管段2a、2b、3a、3b、4a、4b。由于流体断面的不同，下部区域2a、3a、4a中的流动速度低于上部区域2b、3b、4b。通过将管列以这种方式分成管段，并通过在宽度上的折流将管段连接，从而进一步提高了气体冷却器的功率(参见图9)。
图3a和3b中是本发明的其它实施例，在这里，每个管列均被分成管段，并且在每个管列中折流在宽度上进行。
图3a中是一个四列的气体冷却器6，它具有四个管列6.1、6.2、6.3、6.4，其中，每个管列分别分成不同的管段1a、1b、2a、2b、3a、3b和4a、4b。箭头的数量代表着每个管段中管的数量，也就是说，管段在这里分别具有两个或三个管，它们依次交替出现。从图中可以清楚地看出，在一个管列中，从一个三管的管段到一个两管的管段，在宽度上出现折流，而从这个两管的管段到一个三管的管段，折流出现在深度上，如此依次进行。从折流到折流，流体断面也在不断交替，因此制冷剂的流动速度也在不断变化，这样，在气体冷却器6的内部就产生了局部不同的传热条件。
图3b中是气体冷却器7，它是气体冷却器6的一个变型，也就是说，在每列的管段的布置方面有不同。与气体冷却器6的区别仅在于，具有两个管的管段位于上部，而具有三个管的管段位于下部。在这里，在深度上的折流V分别出现在一个位于上部的两管管段1b、2b、3b到一个位于下部的三管管段2a、3a、4a之间。通过这种将每个管列分成两个管段的方式，进一步提高了气体冷却器的功率(参见图9)。
图4中是四列的气体冷却器8的结构图，它具有四个管列8.1、8.2、8.3、8.4，它们被空气沿箭头L所示的流动方向穿流。按照前面的实施例，制冷剂首先穿流经过管列8.1，最后经过管列8.4。每个管列8.1到8.4具有相互间对准中心的扁平管9，由于系统内部的高压，它们优选地由挤压成形的多室扁平管构成，这与本文开头所提及的现有技术相同。在各列8.1到8.4的扁平管之间布置着波纹翅片10，空气从它们上面掠过。在各管列之间分别有一个连续的间隙s，也就是说，无论波纹翅片10还是扁平管9都被隔热，它们之间不存在直接的导热连接。距离h是翅片高度，距离b是管的宽度。扁平管9之间的所谓横向跨度tR为tR＝h+b。所有四个管列中的管跨度tR均相同。
图5中是四列的气体冷却器11的另一个实施例，它具有四个管列11.1、11.2、11.3、11.4。气流方向还是用箭头L表示。两个列，即第一组的两个列11.1、11.2及后一组的两个列11.3和11.4分别具有一个共同的、连续的波纹翅片12、13。这样，管列11.1、11.2中的扁平管9通过连续的波纹翅片12实现热耦合，同样，在列11.3和11.4中通过连续的波纹翅片13也出现了热耦合。而在两个双列之间却有一个与气流方向垂直的间隙s，它起到了隔热的作用。
图6中是本发明的另一个实施例，即一个四列的气体冷却器14的结构。这四个列14.1到14.4具有共同并连续的波纹翅片15，也就是说，所有的管列相互之间为热耦合。当热的制冷剂进入到第一个管列14.1中时，热量可以沿着温度梯度的方向通过波纹翅片15散发，也就是说沿着与气流方向L相反的方向。
图7中是本发明的另一个实施例，即一个四列的气体冷却器16，它具有四个管列16.1、16.2、16.3、16.4，沿气流方向L看，它们的扁平管9相互错位布置。因此各管列16.1至16.4一如图4一具有各自的波纹翅片10，也就是说，管列通过间隙s被隔热。通过这种错位布置，改善了扁平管9上朝向空气的窄面的传热。
图8是一个曲线图，在图中显示了根据本发明、具有不同端面的气体冷却器的功率，与管列数量之间的关系，其中，管列被平行穿流，即形成了一个单一的管段。各上升曲线段分别代表不同的端面，端面的大小参见曲线图旁右上角的图例。具有最高功率的气体冷却器也具有最大的端面，即302×300mm2＝9.06dm2。最下面的曲线段(带有星号)具有最小的端面，即202×200mm2＝4.04dm2。根据本发明的气体冷却器的功率随着管列数量的增多而提高，在这里，四列到八列的气体冷却器的值被测得并被记录。而一个两列的气体冷却器被选作根据本发明的气体冷却器的对比基础，所选的两列系统的端面为20dm2，深度为16mm。这种已公开的、根据现有技术的气体冷却器的功率在曲线图中由两条水平直线表示，也就是说，位于下面的水平线表示在怠速的情况下，功率为7.7kW，而位于它上面的水平线表示当在第二挡中汽车速度为32km/h时，功率大约为8.2kW。从这一比较可以看出，至少在端面较大的情况下，根据本发明的气体冷却器可达到高于现有技术的功率。
图9是与图8相似的曲线图，但图中所示的值以不同的气体冷却器为基础，其所具有的列分别包括两个管段，也就是说，四列、五列、六列、七列或八列的系统中的每个管列分别在宽度上出现折流。每个曲线段所代表的端面还是参见图例；这些端面与图8中的曲线图所示相同。通过比较两个曲线图可以清楚地看出，尽管端面大小相同，但在宽度出现折流或每列有两个管段的情况下，气体冷却器可以达到更高的效率，而且在端面更大的情况下，其功率明显的高出现有技术，这里的现有技术与图8的曲线图中所示一致。此外，作为基础的端面近似正方形，端面面积优选为4到9dm2，换句话说，根据本发明的气体冷却器的尺寸“便于使用”。

Claims (26)

1.用于超临界制冷循环的热交换器，包括一个由管和翅片构成的芯体，其中，翅片被一种包括空气的气态介质掠过，并且布置成多个列的管在相对于气态介质的交叉逆流中被包括制冷剂的第二介质穿流，其特征在于，至少四个管列(1.1、1.2、1.3、1.4)沿气态介质的流动方向L前后排列。
2.根据权利要求1所述的热交换器，其特征在于，至少五个管列(2.1、2.2、2.3、2.4、2.5)前后排列。
3.根据权利要求1或2所述的热交换器，其特征在于，六个管列(3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6)前后排列。
4.根据权利要求1到3所述的热交换器，其特征在于，管由扁平管(9)，翅片是波纹翅片(10、12、13、15)构成。
5.根据权利要求4所述的热交换器，其特征在于，扁平管(9)是挤压成形的多室管。
6.根据权利要求1到5中之一所述的热交换器，其特征在于，管列(1.1、1.2、1.3、1.4)的管R被平行穿流。
7.根据权利要求6所述的热交换器，其特征在于，管列(1.1到1.4；2.1到2.5；3.1到3.6)被依次穿流。
8.根据权利要求1到5中之一所述的热交换器，其特征在于，至少一个管列(4.3、4.4)被分成包括若干管的管段(3a、3b、4a、4b)，它们被依次穿流。
9.根据权利要求8所述的热交换器，其特征在于，分成管段(3a、3b、4a、4b)的管列(4.3、4.4)沿气态介质的流动方向L布置在未被分段的管列(4.1、4.2)之前。
10.根据权利要求8所述的热交换器，其特征在于，所有管列(6.1到6.4；7.1到7.4)被分成管段(1a、1b、2a、2b、3a、3b、4a、4b)，它们被依次穿流。
11.根据权利要求10的热交换器，其特征在于，管段(1a到4b)具有不同数量的管。
12.根据权利要求10所述的热交换器，其特征在于，管段(1a到4b)具有数量基本相同的管。
13.根据权利要求10所述的热交换器，其特征在于，管列(6.1；6.2)的两个管段(1a、1b；2a、2b)中的管的数量(a、b)的比例关系a/b处于0.7到1.35的范围内。
14.根据权利要求8到13中之一所述的热交换器，其特征在于，管段(1a、1b；2a、2b；3a、3b；4a、4b)通过集流管相连，并被集流管中的间壁分开。
15.根据权利要求1到14中之一所述的热交换器，其特征在于，相邻管列之间通过折流元件(V)连接。
16.根据权利要求4到15中之一所述的热交换器，其特征在于，各管列(8.1到8.4)的波纹翅片(10)之间有隔热结构。
17.根据权利要求4到15中之一所述的热交换器，其特征在于，两个管列(11.1、11.2；11.3、11.4)具有共同的、连续的波纹翅片(12、13)。
18.根据权利要求4到15中之一所述的热交换器，其特征在于，所有的管列(14.1到14.4)具有共同的、连续的波纹翅片(15)。
19.根据权利要求4到18中之一所述的热交换器，其特征在于，不同管列(11.1到11.4)中的扁平管(9)相互对准中心布置。
20.根据权利要求4到18中之一所述的热交换器，其特征在于，不同管列(16.1到16.4)中的扁平管(9)相互错位布置。
21.根据权利要求4到20中之一所述的热交换器，其特征在于，所有管列(16.1到16.4)中的扁平管(9)的横向跨度tR相同。
22.根据权利要求4到20中之一所述的热交换器，其特征在于，相邻管列之间的横向跨度tR不同。
23.根据前面的权利要求中之一所述的热交换器，其特征在于，芯体具有一个带翅片的、高度为H和宽度为B的端面，B/H的比例关系在0.8到1.2的范围内。
24.根据权利要求23所述的热交换器，其特征在于，该端面基本为正方形。
25.根据权利要求23或24所述的热交换器，其特征在于，该端面的面积A处于4dm2到16dm2的范围内。
26.根据前述的权利要求中之一所述的热交换器，它在以R744或CO2为优选工作介质的汽车空调系统的超临界制冷循环中被用作气体冷却器。
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