用于单体热泵式空气调节器的板型热泵式空气调节器换热器

摘要

一种板型换热器，该板型换热器具有第一换热器部分，该第一换热器部分构造成接纳制冷剂流和温度低于该制冷剂流温度的吸热侧冷却剂流；第二换热器部分，该第二换热器部分构造成接纳从第一换热器部分离开的制冷剂流和温度高于所述从第一换热器部分离开的制冷剂流的放热侧冷却剂流；以及内部换热器部分，该内部换热器部分被夹在第一换热器部分和第二换热器部分之间。流经板型换热器的制冷剂流与吸热侧冷却剂流和放热侧冷却剂流非接触地热连通。放热侧冷却剂流将热能传递到制冷剂，该制冷剂又将该热能传递到吸热侧冷却剂流。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年2月17日提交的题为“UNITARY HVAC  SYSTEM（单体HVAC系统）”的美国临时专利申请序列号61/443,774的 权益，该申请的全部内容以参见的方式纳入本文。

技术领域

本发明涉及一种用于机动车辆的供暖和空气调节系统；具体涉及一种 热泵式空气调节系统；更具体地涉及一种用于热泵式空气调节系统的换热 器。

背景技术

为了使车厢中的乘客感到舒适，机动车辆通常包括专用的空调系统和 供暖系统。供暖系统包括加热器芯部，该加热器芯部位于车辆的供暖、通 风以及空气调节（HVAC）模块内部。加热器芯部通常是液体对空气的换热 器，该换热器将热能供给至车厢以实现舒适地供暖。诸如基于乙二醇的冷 却剂之类传热液体将来自内燃机的废热传送至加热器芯部，在此来自传热 液体的热能传递至通过加热器芯部流至车厢的周围空气。随着更大效率内 燃机、具有较小内燃机的混合车辆以及尤其是电动车辆的出现，可用于为 车厢中的乘客提供舒适性的热能会不够。

为了向具有较小内燃机的车辆的车厢提供补充热量，已知在热泵模式 操作空调系统。典型的机动车辆空调系统包括位于HVAC模块中的蒸发器 和位于暴露于外部环境空气的前部发动机舱中的冷凝器。压缩机使两相制 冷剂循环通过蒸发器，在蒸发器中，该制冷剂通过吸收来自车厢的热量而 转变成低压蒸气相。在低压蒸气被压缩机压缩成高压蒸气之后，使蒸气相 制冷剂传递至冷凝器，在冷凝器中，高压蒸气通过将热量释放到环境空气 中而冷凝成高压液相。使液相制冷剂通过膨胀阀返回至蒸发器，该膨胀阀 使高压液态制冷剂转化成液态和蒸气态制冷剂的低压混合物，以持续循环。 通过在热泵模式操作空调系统，制冷剂流逆流，在该情形中，冷凝器通过 蒸发液态制冷剂而吸收来自外部环境空气中的热量，且蒸发器通过冷凝蒸 气态制冷剂而将热量释放至车厢。由于空调系统用于空气调节模式时的低 压侧会变为用于热泵模式时的高压侧，因而在热泵模式下操作空调系统的 一个缺点是由于需要不得不通过使用较大规格的管件和配件来强化整个系 统的制冷剂管路而增大系统的复杂度。此外，需要对蒸发器进行强化以承 受高压制冷剂，并且连同附加的相关管路一起安装附加的膨胀阀和接纳部。 在热泵模式下操作空调系统的另一已知缺点是在较寒冷的气候下，由于冷 凝器的表面温度下降到32°F以下，使得冷凝在冷凝器表面上的任何湿气会 冻结，由此潜在地降低系统的效率或者甚至会损坏冷凝器。

已知电加热器用于向使用空调系统作为热泵的车辆的车厢提供补充热 量。在最寒冷的气候下，已知在热泵模式下操作空调系统是无效的；因此， 需要附加的电加热器。然而，对于混合和电动车辆来说，电加热器代表着 会增大电流提取，而这会显著地减小电力驱动范围。

综上所述，需要一种向机动车辆的车厢提供补充热量的供暖系统，该 供暖系统无需使空调系统的制冷剂循环逆转或者不利地影响电力驱动范 围。

发明内容

本发明涉及一种用于单体HPAC系统的单体热泵式空气调节器（单体 HPAC）。单体HPAC包括板型HPAC换热器，这种换热器具有带有预定 开口的多块板、与开口相邻的多个流动空间和围绕选定的开口的凸台。这 些板设置、堆叠和气密地密封在上游端板和下游端板之间，从而限定第一 换热器部分、第二换热器部分和夹在两者之间的内部换热器。

第一换热器部分构造成接纳制冷剂流和温度低于制冷剂流温度的吸热 侧冷却剂流。制冷剂流与吸热侧冷却剂流非接触地热连通，由此将热能从 制冷剂流传递到吸热侧冷却剂流。

第二换热器部分构造成接纳从第一换热器部分离开的制冷剂流和温度 高于制冷剂流的放热侧冷却剂流，其中，放热侧冷却剂流与制冷剂流非接 触地热连通，由此将热能从放热侧冷却剂流传递到制冷剂流。

内部换热器构造成接纳从第一换热器部分离开、在被第二换热器部分 接纳之前的制冷剂流和来自第二换热器部分的制冷剂流。离开第一换热器 部分的制冷剂流的温度高于来自第二换热器部分的制冷剂流的温度。来自 第一换热器部分的制冷剂流与来自第二换热器部分的制冷剂流非接触地热 连通，由此将热能从离开第一换热器部分的制冷剂流传递到在离开第二换 热器之前离开第二换热器部分的较低温度的制冷剂流。

单体HPAC还包括电力驱动的压缩机和电力驱动的吸热侧冷却剂泵和 放热侧冷却剂泵，该压缩机具有液压连接到第一换热器部分的高压制冷剂 入口的高压排放侧以及液压连接到第二换热器部分的低压制冷剂出口的低 压进入侧，且吸热侧冷却剂泵和放热侧冷却剂泵分别与吸热侧冷却剂入口 和放热侧冷却剂入口液压连通。

板型HPAC换热器连同相关联的电力驱动的压缩机以及冷却剂泵一起 可安装到平台上或者封装在约为面包盒尺寸的壳体内，由此提供用于单体 HPAC系统的紧凑的单体HPAC。通过阅读本发明的实施例的以下具体说 明，本发明的另一些特征和优点将变得更加清楚，参照附图并以非限制性 实例方式给出该说明。

附图说明

将参考附图来进一步描述本发明，其中：

图1是根据本发明的单体热泵式空气调节器系统（单体HPAC系统） 的示意流程图。

图2示出在冷却模式下操作的示例性单体HPAC。

图3示出在供热模式下操作的示例性单体HPAC。

图4示出根据本发明的单体HPAC的实施例。

图5示出根据本发明的单体HPAC的另一实施例，该单体HPAC具有 板型HPAC换热器、电力驱动的压缩机以及电力驱动的冷却剂泵。

图6是图5的板型HPAC换热器的示意剖视图，该图示出吸热冷却剂 和放热冷却剂的流路以及制冷剂的流路。

图7示出图5的板型HPAC换热器的实施例的分解图。

具体实施方式

参照图1到7是用于机动车辆的单体热泵空气调节器系统（单体HPAC 系统）和单体热泵空气调节器（单体HPAC）的两个实施例。机动车辆可 以是具有内燃机的车辆、同时具有内燃机和电力驱动的混合动力车辆或者 具有电力驱动的电动车辆中的一种。单体HPAC系统是紧凑的气密密封系 统，该系统提高了供热系统的总体效率，并还向机动车辆提供冷却系统， 该系统通过例如使诸如对电加热器供电的电流的使用减到最少来提高混合 动力车辆和电动车辆的行驶范围。基本上，单体HPAC系统提供专用的制 冷系统，其中，制冷剂循环无须逆转来使单体HPAC系统在热泵模式下操 作。单体HPAC系统还包括单体HPAC，该单体HPAC是紧凑型的，并且 实际上易于安装在车辆的具有大约面包盒或小型工具箱尺寸的任何隔室 内。在阅读了下文说明书之后会容易地理解到单体HPAC系统的其它优点。

图1中示出单体HPAC系统10的流程图，该单体HPAC系统具有制冷 剂回路12，该制冷剂回路与放热冷却剂回路14和吸热冷却剂回路16热连 通。制冷剂回路12的主要部件包括液压地串联连接的冷凝器18、诸如热膨 胀阀（TXV）20的制冷剂膨胀装置20以及蒸发器22。制冷剂压缩机24位 于制冷剂回路的核心处，并且位于蒸发器22的下游和冷凝器18的上游。 压缩机24可用于压缩和传递遍及单体HPAC系统10的制冷剂回路12的两 相制冷剂，例如R-134a或R-1234yf。吸热冷却剂回路16包括吸热侧激冷 器26和吸热侧冷却剂泵28，该吸热侧激冷器26与冷凝器18热连通，而吸 热侧冷却剂泵28使吸热放热侧冷却剂循环通过吸热侧激冷器26。类似地， 放热冷却剂回路14包括放热侧激冷器30和放热侧冷却剂泵32，该放热侧 激冷器30与蒸发器22热连通，而放热侧冷却剂泵32使放热侧冷却剂循环 通过放热侧激冷器30。吸热侧激冷器26和放热侧激冷器30可以是分别封 装冷凝器18和蒸发器22的水封壳，或者可以是板型换热器的部件，这将 在下文进行更详细地描述。放热冷却剂回路14将从车辆内各个热源吸收废 热能量，例如从内燃机或电子器件吸收废热，由此冷却各个热源。制冷剂 回路12将热能从放热冷却剂回路14传递至吸热冷却剂回路16，该吸热冷 却剂回路16再将热能传送至诸如乘员换热器之类的各种散热器，以向车厢 提供补充的热量。单体HPAC系统10有效地捕获废热能量并将其有效地用 于车辆内部。

制冷剂回路12的制冷剂循环通常与在冷却模式下操作的机动车辆的专 用空气调节系统的制冷剂循环相同。两相制冷剂由压缩机24循环通过制冷 剂回路12，该压缩机包括抽吸侧36和排放侧38，抽吸侧也被称为低压侧， 而排放侧也被称为高压侧。压缩机的抽吸侧在吸收来自吸热侧冷却剂的热 量之后、接纳来自蒸发器22的低压蒸气相制冷剂，并将该低压蒸气相制冷 剂压缩至高压蒸气相制冷剂，然后将该高压蒸气相制冷剂排放至冷凝器18。 在该高压蒸气相制冷剂在冷凝器18中被冷凝成高压液相制冷剂时，将热量 传递至流过吸热侧激冷器26的吸热侧冷却剂。高压液相制冷剂离开冷凝器 18可经过接纳部（未示出），以分离任何制冷剂蒸气，穿过再冷器（未示 出）以进一步冷却该液相制冷剂，然后通至制冷剂膨胀阀20，制冷剂通过 该制冷剂膨胀阀开始膨胀至起泡的液相制冷剂。起泡的液相制冷剂进入蒸 发器22，并且持续地膨胀成低压蒸汽制冷剂，该低压蒸汽制冷剂然后循环 回到压缩机24的抽吸侧36，以重复该过程。

参见图2和3，放热和吸热冷却剂回路在整个车辆中的流路可以基于车 辆的冷却和供暖需求而重新构造。放热和吸热冷却剂回路可包括在关键节 点处具有远程致动阀40的多个互连分支，这些互连分支可重新构造以重新 限定放热和吸热冷却剂回路的流路，以向指定的换热器选择性地提供放热 或吸热冷却剂流。例如，图2中示出在冷却模式下操作的单体HPAC系统 10。放热冷却剂回路（以单点划线示出）构造成流到舒适度换热器42以冷 却通向车厢的空气，并流到电池换热器46以冷却电池，而吸热冷却剂回路 （以双点划线示出）构造成通过外部换热器44散热。图3中示出在热泵模 式下，可将吸热冷却剂回路（以双点划线示出）重新引导到舒适度换热器 42以加热通向车厢的空气，并引导到电池换热器46以将电池保持在最佳运 行温度下，而将放热冷却剂回路（以单点划线示出）引导到辅助换热器48 以从车辆的电子器件或从外部环境空气中提取废热。与使空气调节系统在 热泵模式下运行的已知方法不同，本发明的制冷剂回路12从不逆转，因此 无须加强整个系统中的制冷剂管件和配件，这是因为制冷剂回路12的低压 侧38不经受高压制冷剂。

图4中示出用于上述单体HPAC系统10的根据本发明的实施例的紧凑 单体HPAC100。所示的单体HPAC100包括一体冷凝器/吸热侧激冷器组件 102、接纳部104、再冷器106、热膨胀阀（TXV）108和一体蒸发器/放热 侧激冷器组件110。该单体HPAC100还包括电力驱动的压缩机112以及电 力驱动的吸热侧和放热侧冷却剂泵114、116，压缩机112用于使典型的两 相制冷剂循环通过一系列制冷剂管件113，而该吸热侧和放热侧冷却剂泵 114、116分别构造成液压地连接到吸热冷却剂回路和放热冷却剂回路。用 于吸热冷却剂回路和放热冷却剂回路的液态冷却剂大体是70％乙二醇-30 ％水的混合物，该混合物可防止冷却剂在一体蒸发器/放热侧激冷器组件 110所需的低温下冻结或变得过于黏稠。

一体冷凝器/吸热侧激冷器组件110是板型换热器组件，该换热器组件 具有堆叠和硬钎焊/铜焊于上游端板126和下游端板128之间的多个冲压金 属板120。冲压金属板包括本领域技术人员已知的特征，例如开口、绕选定 开口的凸台以及凸缘，它们在堆叠时形成用于高压制冷剂流的制冷剂通道 以及用于吸热冷却剂流的单独的吸热冷却剂通道。这些金属板可包括建立 在相邻各板之间的多个触点，以向流过其中的流体引入湍流，从而提供高 传热系数。

通过一体冷凝器/吸热侧激冷器组件102的吸热制冷剂和吸热冷却剂流 是非接触的；换言之，两种流体不混合，但彼此热连通，并可以是顺流或 逆流。在吸热冷却剂离开一体冷凝器/吸热侧激冷器组件102并且返回至吸 热冷却剂回路（未示出）时，将来自较高温度的制冷剂的热能传递至较低 温度的吸热冷却剂，由此使吸热冷却剂的温度升高。上游端板126包括制 冷剂入口130和吸热冷却剂入口134，制冷剂入口与电力驱动的压缩机112 的排放侧118流体连通，而吸热冷却剂入口于吸热侧冷却剂泵116流体连 通。下游端板128包括制冷剂出口132和吸热冷却剂出口136，制冷剂出口 与接纳部104流体连通，而吸热冷却剂出口构造成液压连接到吸热冷却剂 回路。类似地，下游的再冷器组件106和一体的蒸发器/放热侧激冷器组件 110也可以是板型换热器。一体蒸发器/放热侧激冷器组件110包括放热冷 却剂入口138和出口140，其中，放热冷却剂出口140适于液压连接到放热 冷却剂回路（未示出）。

与制冷剂侧部件在整个发动机舱内远程地散布的传统式空气调节系统 不同，在HVAC模块内，包括一体冷凝器/吸热侧激冷器组件102、接纳部 104、再冷器组件106、TXV108、一体蒸发器/放热侧激冷器组件110以及 电力驱动的压缩机112以及冷却剂泵114、116在内的单体HPAC100的制 冷部件都可安装到尺寸为376mm×220mm或更小的单个平台142上。这 些部件可以甚至封装在壳体内，该壳体具有类似尺寸的基部以及小于212 mm的高度，并且近似是典型面包盒的尺寸，以易于操纵并且免受环境影响。 形成单体HPAC100的各部件的集中布置允许使用较短长度的制冷剂管件 113，这些管件由诸如不锈钢、铝和/或铜之类不透制冷剂的材料制成。较短 长度的不透制冷剂管件113使制冷剂泄漏和湿气渗透的程度最小化；由于 无需大容积的备用制冷剂，因而允许使用较小容积的接纳部104。湿气渗透 程度的降低会减小或消除所需的干燥剂的容积，从而产生更紧凑的单体 HPAC100。由于这种紧凑的尺寸，单体HPAC100可实际上安装在机动车辆 内能容下面包盒的任何位置，诸如行李箱内、引擎罩下、仪表盘内或甚至 座椅下。

图5到7中示出单体HPAC200的替代实施例，其中，图4中所示的单 体HPAC100的一体冷凝器/吸热侧激冷器组件102、接纳部104、再冷器106、 热膨胀阀（TXV）108和一体蒸发器/放热侧激冷器组件被由多个堆叠和铜 焊的金属板组装而成的单个紧凑的板型HPAC换热器201所代替。积存器 294相对于制冷剂流可设置在板型HPAC换热器201的下游和压缩机212 的上游。板型HPAC换热器201基本上包括结合成一个一体单元工作的三 个连结的换热器部分，其中，制冷剂用于将热能从放热冷却剂传递到吸热 冷却剂，由此冷却放热冷却剂回路，并对吸热冷却剂回路供热。

在图6和7中最清楚示出板型换热器201，该板型换热器201包括冷凝 器/吸热侧激冷部分202和蒸发器/放热侧激冷部分206以及夹在这两者之间 的内部换热器（IHX）部分204。IHX部分204连同定位在蒸发器/放热侧 激冷器部分206内的集成的制冷剂膨胀装置256一起提供更紧凑的单体 HPAC。板型HPAC换热器102连同相关联的电力驱动压缩机212和冷却剂 泵214、216一起可安装在平台242上或者封装到尺寸为376mm×220mm 或者×175mm或更小的壳体内。

参见图6和7，冷凝器/吸热侧激冷器部分202基本上是由堆叠在上游 端板270和第一边界板208之间的多个冲压金属板构成的板型换热器。上 游端板270包括与电力驱动的压缩机212的高压排放侧218流体连通的高 压制冷剂入口258。第一边界板208包括用于将制冷剂排放到IHX部分204 的高压蒸汽制冷剂IHX端口260。然而，与第一实施例不同，上游端板270 同时包括吸热冷却剂入口234和吸热冷却剂出口236。冲压金属板包括其内 形成有第一和第二流动空间的部分，这些流动空间在堆叠和硬钎焊时形成 高压制冷剂通道262和单独的吸热冷却剂通道264，制冷剂通道用于从高压 入口258到高压制冷剂IHX端口260的制冷剂流，而吸热冷却剂通道用于 从吸热冷却剂入口234到吸热冷却剂出口236的吸热冷却剂流。高压制冷 剂通道262和吸热冷却剂通道264是非接触但热连通的，其中，将来自较 高温度的高压制冷剂的热能传递到较低温度的吸热冷却剂。吸热冷却剂入 口234和吸热冷却剂出口236构造成液压连接到吸热冷却剂回路。

IHX部分204也是由堆叠在第一和第二边界板208、210之间的多个冲 压金属板组装而成的板型换热器，而这些边界板将IHX部分204分别连结 到冷凝器/吸热侧激冷器202和蒸发器/放热侧激冷器部分206。堆叠的金属 板包括其内形成有第一和第二流动空间的部分，这些流动空间在堆叠和铜 焊时形成IHX高压制冷剂通路266和IHX低压制冷剂通路268。第二边界 板210限定低压制冷剂端口291，该低压制冷剂端口与IHX低压制冷剂通 路268液压连通。下面将详细描述流经IHX高压制冷剂通路266和IHX低 压制冷剂通路268的非接触的高压和低压制冷剂的流动和作用。

蒸发器/放热侧激冷器部分206也基本上是由堆叠和组装在第二边界板 210和下游端板272之间的多个冲压金属板构成的板型换热器。下游端板 272包括放热冷却剂入口274、放热冷却剂出口276和低压制冷剂出口278。 堆叠的金属板包括具有多个开口和围绕选定开口的凸台的部分，以限定放 热冷却剂通道288、制冷剂膨胀室280和低压制冷剂通道290，放热冷却剂 通道288在放热冷却剂入口276和出口278之间液压连通，制冷剂膨胀室 280向下游端板272的方向延伸，而低压制冷剂通道290将与下游端板272 相邻的制冷剂膨胀室280液压连接回到IHX低压端口291。具有入口端284 和出口端286的管状膨胀装置256设置在制冷剂膨胀室280内。管状膨胀 装置入口284与IHX高压制冷剂通路266流体连通，而膨胀装置出口286 沿下游端板272方向止于制冷剂膨胀室280内。

图6中示出板型HPAC换热器201的示意剖视图，该图示出吸热冷却 剂通道264通过冷凝器/吸热侧激冷器部分202以及放热冷却剂通道288通 过蒸发器/放热侧激冷器部分206的路径。图6中还示出了制冷剂在其经过 冷凝器/吸热侧激冷器部分202、IHX部分204和蒸发器/放热侧激冷器部分 206中的每个时的流路。为了清楚地说明，冷却剂通道的路径简化为U－路 径，但实际上，冷却剂的路径可以是与限定于各个相应部分内的制冷剂通 道顺流或逆流。重要的是冷却剂流和制冷剂流并不相互混合，而在三个部 分202、204、206中的每个部分内流动的相应流体之间仍存在热连通，以 进行传热。

[0035]参照图6中所示的冷凝器/吸热侧激冷器部分202，高压制冷剂进 入冷凝器/吸热侧激冷器部分202的高压制冷剂入口258，并经过高压制冷 剂通道264行进到IHX部分204的IHX高压端口260。较低温度的吸热冷 却剂进入吸热冷却剂入口234、行经吸热冷却剂通道264，并通过吸热冷却 剂出口236离开。当高压制冷剂和吸热冷却剂行经它们对应的通道时，热 能从较高温度的高压制冷剂传递到较低温度的吸热冷却剂，由此将高压蒸 汽制冷剂冷凝到高压液态制冷剂。

参照图6中所示的IHX部分204，高压液态制冷剂进入IHX高压端口 260，经IHX高压制冷剂通路266行进到膨胀装置入口284。低压制冷剂进 入设置在第二边界板210上的IHX低压端口260，流经IHX低压通路268， 并经由低压制冷剂出口集管292离开板型HPAC换热器，该集管穿过蒸发 器/放热侧激冷器部分206延伸，并与低压制冷剂出口278液压连通。流经 IHX高压通路266的高压制冷剂和流经IHX低压通道268的低压制冷剂是 不接触的，换言之，并不相互混合，但却热连通。在高压制冷剂离开冷凝 器/吸热侧激冷器部分202之后，将来自高压制冷剂的剩余热能的一部分传 递到来自蒸发器/放热侧激冷器部分206的低温低压制冷剂。IHX部分204 增加高压液态制冷剂在膨胀装置256之前再冷的量，这提高了蒸发器/放热 侧激冷器组件206的性能。传递到离开蒸发器/放热侧激冷器部分206的低 压蒸汽制冷剂的热能增加了至压缩机212的过热量，由此减小了液体进入 压缩机212的可能性。此外，高压侧压力较小，从而造成高压侧制冷剂部 件上的应力较低，由此允许在低压和高压侧均使用较小规格的制冷剂管件 和配件。此外，IHX部分204提供用于储存多余制冷剂的附加容量，由此 取消了对外部接纳部的需求，这进一步减小了单体HPAC的覆盖区域。

参照图6中所示的蒸发器/放热侧激冷器部分206，离开IHX部分204 的高压液态制冷剂进入膨胀装置256的入口284，该膨胀装置将制冷剂传递 到蒸发器/放热侧激冷器部分206的膨胀室280内。高压液态制冷剂在离开 膨胀装置出口286朝向下游板进入膨胀室280时开始膨胀成起泡的液体。 然后，制冷剂经低压制冷剂通道290流回第二边界板210，并在它吸收来自 流经放热冷却剂通道288的放热冷却剂的热能时继续膨胀成蒸汽相。然后， 低压蒸汽制冷剂在借助制冷剂出口集管292离开蒸发器/放热侧激冷器部分 206之前如上所述进入IHX低压入口291。换言之，所耗的来自蒸发器/放 热侧激冷器部分206的低温低压蒸汽制冷剂用于在IHX部分204内、在内 部膨胀装置256之前预先冷却离开冷凝器/吸热侧激冷器部分202的相对较 高温度的高压液态制冷剂。

尽管已参照其示例实施例描述了本发明，但本领域技术人员应当理解， 可在不偏离本发明范围的条件下进行各种改变并且用等同构件来替换本发 明的各构件。此外，可作出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的说 明，而不脱离本发明的实质范围。因此，本发明并不局限于为实施本发明 而被考虑作为最佳模式所披露的具体实施例，而本发明会包括所有落入所 附权利要求范围的所有实施例。