具有用于改善制冷剂均分的混合膨胀装置的汽车蒸发器热交换器

摘要

本发明提供了一种汽车蒸发器(100)热交换器，所述汽车蒸发器(100)热交换器具有被构造为将制冷剂在全部制冷剂管(106)上均分的混合膨胀装置(200)。所述混合膨胀装置(200)包括一级制冷剂压降装置(202)和二级制冷剂压降装置(204)。所述一级制冷剂压降装置(202)是被构造为接纳液相制冷剂并将液相制冷剂膨胀成两相制冷剂的第一混合物的热膨胀阀(TXV)(202)，而所述二级制冷剂压降装置(204)是在入口歧管(102)内延伸的被构造为将所述两相制冷剂的第一混合物膨胀成两相制冷剂的第二混合物的管。所述管(204)包括多个孔口(206)，并具有足够大以抑制对制冷剂流的阻力但又足够小以防止所述两相制冷剂的第一混合物流分离成液体层和蒸气层的管径。

说明书

技术领域

本发明涉及汽车蒸发器；并具体涉及用于均分制冷剂通过该汽车蒸发器的 制冷剂管的制冷剂膨胀装置。

背景技术

机动车用空调系统通常包括制冷剂回路，该制冷剂回路具有位于用来将经 调节的空气提供至乘客舱的暖通空调(HVAC)模块内的蒸发器、位于蒸发器 上游的膨胀装置、位于膨胀装置上游发动机舱前面的冷凝器以及位于发动机舱 内冷凝器上游的压缩机。上述部件液压串联在闭合的制冷剂回路内。

压缩机使制冷剂压缩并循环通过闭合的制冷剂回路。从蒸发器的入口开 始，具有液体和蒸气混合物的低压两相制冷剂进入蒸发器并流过蒸发器的制冷 剂管，在制冷剂管处，低压两相制冷剂通过从进入的空气流中吸收热量而膨胀 成低压蒸气制冷剂。低压蒸气制冷剂然后从蒸发器出口排出并进入压缩机，在 压缩机处，低压蒸气制冷剂被压缩成高压高温蒸气。高压蒸气制冷剂然后流过 冷凝器，在冷凝器处，高压蒸气制冷剂通过将热量释放至机动车外部的周围空 气而冷凝成高压液体制冷剂。经冷凝的高压液体制冷剂通过膨胀装置返回至蒸 发器，膨胀装置将高压液体制冷剂膨胀为低压液体蒸气制冷剂混合物以重复该 循环。

常规的蒸发器包括入口歧管、出口歧管以及液压连接这两个歧管的多个制 冷剂管。此外，在入口歧管与出口歧管之间可能存在一个或多个中间歧管，例 如回流歧管。通过蒸发器的制冷剂的流量，对于R-134a制冷剂而言通常在 25kg/h至300kg/h的范围内，主要取决于机动车的发动机转速(以每分钟转数 (rpm)计)。这是压缩机直接由发动机经由辅助皮带驱动的结果；因此，压缩 机速度随着发动机rpm而改变。

理想的是能够将两相制冷剂均分(分成等份)至蒸发器的制冷剂管以对空 气流进行均匀冷却。如果两相制冷剂以相对高的速度进入入口歧管，则液相制 冷剂被液流的动量携带，进一步远离入口歧管的进口至入口歧管的远端。因此， 最接近入口歧管进口的制冷剂管主要接收蒸气相，而靠近入口歧管的远端的制 冷剂管主要接收液相。另一方面，如果两相制冷剂以相对低的速度进入入口歧 管，则最接近入口歧管进口的制冷剂管主要接收液相，而靠近入口歧管的远端 的制冷剂管主要接收蒸气相。较之于体积分数，在涉及制冷剂的质量分数时尤 其如此。在任一情况下，这会导致流过制冷剂管的制冷剂不均分，使蒸发器的 传热效率降低。

液体制冷剂不均分的不良效果是从蒸发器出来的空气的温度图的偏移。在 高的制冷剂流速下，在入口歧管的远端处穿过制冷剂管的空气流温度低于在靠 近入口处穿过制冷剂管的空气流温度。在低的流动速度下，情况相反。出口空 气温度的偏移和变动模式是不期望的。首先，它指示低效率的传热过程。其次， 它妨碍将温度传感器适当地定位于蒸发器的下游面上。该温度传感器旨在测量 空气的最低温度，并且它通过在达到设定的最低温度时关闭固定排量压缩机来 控制固定排量压缩机，从而保护固定排量压缩机不受损坏。所得不均匀温度场 (其受制冷剂流动速度影响而改变)使得难以保持HVAC模块外部的出风口温 度的均匀平衡。在某些情况下，左出风口温度和右出风口温度中的这种失衡引 起车辆乘坐人员的明显不适。

需要这样一种装置，不管由内在变化的发动机速度引起的制冷剂流速的变 化，该装置控制制冷剂流在入口歧管中向制冷剂管均分并保持出风温度场均 匀。

发明内容

简而言之，本发明的一个方面为具有混合膨胀装置(HED)的汽车蒸发器 热交换器。蒸发器包括限定沿歧管轴线A延伸的内腔的细长入口歧管和延伸进 内腔的多个制冷剂管。HED包括一级制冷剂压降装置和二级制冷剂压降装置， 一级制冷剂压降装置被构造为接纳液相制冷剂并将液相制冷剂膨胀成两相制 冷剂的第一混合物，二级制冷剂压降装置设置在入口歧管中且被构造为接纳两 相制冷剂的第一混合物并将两相制冷剂的第一混合物膨胀成两相制冷剂的第 二混合物，并且将两相制冷剂的第二混合物均分至所述多个制冷剂管的开放 端。

一级制冷剂压降装置是被构造为接纳液相制冷剂并将液相制冷剂膨胀成 两相制冷剂的第一混合物的TXV，所述两相制冷剂的第一混合物具有质量百 分比为约75-85％的液相。二级制冷剂压降装置为管，其具有多个孔口，所述 多个孔口被构造为将两相制冷剂的第一混合物膨胀成两相制冷剂的第二混合 物，所述两相制冷剂的第二混合物具有质量百分比为约65-75％的液相。EOT 的内径的优选范围为使得其应足够大以抑制对制冷剂流的阻力，在管中少于分 配量的制冷剂能够流至EOT的远端216，但又足够小以防止进入的两相制冷剂 的第一混合物流分离成液体层和蒸气层。

较之于仅具有常规孔口管的蒸发器，具有HED的蒸发器实现了17％的节 能。具有HED的蒸发器还提供无噪声、温度均匀分布以及对应于变化的发动 机rpm的快速瞬变制冷剂流。具有HED的蒸发器的另一有益效果在于，其消 除了对增加压降并且降低空调系统性能的储液器/干燥器(A/D)的需求。压缩 机的吸入管线中每1psi的压降引起空气出口温度的大约0.75℉的增加。A/D在 高流量下通常增加约3psi压降。

在下文所描述的附图中，示出了优选实施例；然而，在不脱离本发明的精 神和范围的情况下，可对所述优选实施例进行各种其他修改以及替代设计和构 造。

附图说明

图1示出了具有混合膨胀装置的空调系统的示意图。

图2示出了具有混合膨胀装置的示例性蒸发器。

图3示出了图2所示的蒸发器的入口歧管的剖视图。

图4示出了图3的增强型孔口管的剖视图。

图5为曲线图，示出了制冷剂的液体体积分数与蒸气体积分数之间的关系。

具体实施方式

图1示出了具有闭合的制冷剂回路12的空调系统10的示意图，该闭合的 制冷剂回路12以串联方式液压连接压缩机14、冷凝器16和蒸发器100。蒸发 器100包括混合膨胀装置(HED)200，该混合膨胀装置(HED)200被构造 成针对由压缩机14速度变化引起的所有工作制冷剂流提供在整个蒸发器100 上的制冷剂均分。HED 200包括一级制冷剂压降装置202，例如恒温膨胀阀 (TXV)202，以及二级制冷剂压降装置204，例如增强型多孔管(EOT)204。

图2和图3示出了本发明的具有HED 200的示例性蒸发器100。蒸发器 100包括入口歧管102、出口歧管104以及液压连接歧管102、104的多个制冷 剂管106，用于制冷剂从入口歧管102向出口歧管104流动。每个制冷剂管106 限定供制冷剂在其间流动的U形路径，从而使入口歧管102和出口歧管104 能够并排平行地布置。蒸发器100还可包括与入口歧管102和出口歧管104液 压连接并隔开的回流歧管105。制冷剂管106的入口开放端107穿过沿着入口 歧管102设置的管槽109插设，用于从入口歧管102向制冷剂管106的制冷剂 流动。入口歧管102和出口歧管104被示为在重力方向上位于制冷剂管106上 方。多个翅片108设置在制冷剂管106之间，以促进制冷剂与环境空气流之间 的热交换。制冷剂管106和翅片108由导热材料(优选地为铝合金)形成，组 装到歧管102、104上并且铜焊成蒸发器热交换器总成。

图3示出了沿歧管轴线A延伸的蒸发器100的入口歧管102的剖视图。入 口歧管102包括用于接纳二级制冷剂压降装置204的入口端口110，该二级制 冷剂压降装置204被构造为与上游的一级制冷剂压降装置202协作以改善制冷 剂在蒸发器100的所有制冷剂管106上均分。一级制冷剂压降装置202将来自 冷凝器的液体制冷剂膨胀成两相制冷剂的第一混合物，而二级制冷剂压降装置 204将两相制冷剂的第一混合物膨胀成两相制冷剂的第二混合物。

二级制冷剂压降装置204可以是设置在由入口歧管102限定的内腔103内 的EOT 204的二级制冷剂压降装置，该二级制冷剂压降装置基本上沿着内腔 103的长度延伸并且基本上平行于歧管轴线A。EOT 204包括入口端214、与 入口端214的相对的盲远端216以及在入口端214与盲远端216之间的多个孔 口206。入口端214与上游的一级制冷剂压降装置202直接液压连接。通常通 过将其捕获于入口歧管102的端封端117中来安装盲远端216。所述多个孔口 206可布置为与歧管轴线A平行的线性阵列，并背向制冷剂管106的入口开放 端107，优选地与入口开放端107相差180度并且取向成与重力方向相反。如 图2所示，车内位置为歧管102、104在顶部，回流歧管105在底部，而蒸发 器面112基本上垂直于地面。在蒸发器面112朝着地面倾斜(偏离垂直最多至 60°)的情况下，仍优选的是，EOT 204的孔口206基本上与重力方向相反。

图1所示的一级制冷剂压降装置202可为低压降TXV(LP-TXV)202 的一级制冷剂压降装置，其被构造成在比没有孔口管的空调系统的常规TXV 的压降低的压降下工作。HED 200提供两级总压降，其中，总压降在LP-TXV 202与EOT 204之间分配，且相当于常规TXV的压降。意想不到地发现，由 LP-TXV和EOT协调工作提供的受控两级压降使得通过蒸发器100的制冷剂管 106的制冷剂的均分得以改善。

LP-TXV 202被构造为向EOT204提供两相制冷剂的第一混合物。EOT 204 用作保持与膨胀装置，其中EOT 204保持并储积两相制冷剂的第一混合物，直 至进入的混合物的液体部分基本上充满EOT 204的内部容积，然后作为两相制 冷剂的第二混合物通过孔口206排放，从而将制冷剂在整个制冷剂管106内均 分。参见图3，在紧靠LP-TXV 202下游的HED的点X附近，两相制冷剂的 第一混合物具有75％的液体质量分数以及仅8.9％的对应液体体积分数。这里， EOT 204的仅8.9％的体积由液体占据，而其余90.1％体积由蒸气占据。下表1 和图5分别示出了表格和曲线图，显出了制冷剂的液体质量分数以及在典型蒸 发器入口压力和温度下制冷剂R134a的对应液体体积分数和蒸气体积分数。

液体质量分数 液体体积分数 蒸气体积分数 (kg/kg)％ (m^3/m^3)％ (m^3/m^3)％ 60 4.7 95.3 65 5.7 94.3 70 7.1 92.9 75 8.9 91.1 80 11.5 88.5 85 15.6 84.4 90 22.6 77.4 95 38.2 61.8 97 51.3 48.7 98 61.4 38.6 99 76.3 23.7 100 100.0 0.0

表1

仍然参见图3，在点Y附近，如果允许两相制冷剂的第一混合物以相同的 状态停留在EOT 204内部，则EOT 204的约90％的体积还是由蒸气占据。这 种情况下的缺点是，一些孔口可能仅使蒸气从其流出，从而引起非常讨厌的嘶 嘶声。然而，实际上，由于EOT 204内部的留置液体，在EOT内部，有效液 体的体积分数高于在入口处的液体的体积分数。EOT内部的有效液体体积分数 估计为约50％，这对应于97％的液体质量分数。液体的这种高比例(以质量计 及以体积计)确保了液体颗粒从每一个孔口射出，从而打乱蒸气中生成的声压 波；因此，这阻止了嘶嘶声的产生。另外，液体的这种高比例确保了均分过程 能够实现。因此，这里的想法是EOT 204具有的内径使得在第一级混合物进入 之后，第一级混合物进一步与留置液体混合，从而使EOT内部液体质量分数 显著增加。然而，EOT直径不应大到使蒸气与液体分离；换句话讲，即使在与 EOT内部的留置液体结合后，混合物仍应保持为混合物。

仍然参见图3，在点Z附近，一旦制冷剂离开孔口206，其便被称为两相 制冷剂的第二混合物。在该状态下，由于均分已经发生并且每个制冷剂管正被 送入大致相同量的液体和蒸气，因此对于液体质量分数(大约65％)不用太关 心。

如图4所示，由于与具有显著高的蒸气体积分数的制冷剂相比，液体制冷 剂更容易在制冷剂管106内均分，因此在EOT 204中，显著高的液体体积分数 的制冷剂是期望的。优选的是，LP-TXV被构造为提供一级压降，使得从 LP-TXV 202出来到EOT 204中的两相制冷剂的第一混合物的液相(L)的质 量百分比为大约75-85％，其中蒸气泡(V)分散在液相(L)中。优选地，EOT 204被构造成通过改变直径、孔口尺寸和孔间距来提供第二级压降，使得从EOT 204的孔口206流出，进入歧管100的两相制冷剂的第二混合物的液相的质量 比为大约65-75％。同样优选地，EOT 204的直径、孔口尺寸和孔间距被设定 为可保持制冷剂的液相，所述制冷剂的液相占EOT 204的横截面积的至少 99％。

EOT 204的长度和内径决定对制冷剂的轴向流动的阻力，并且具有与其相 关的压降。类似地，孔口阵列(由孔口的数量和直径限定)的设计还确定与其 关联的压降。为在所有流速下进行有效控制，在轴向上从入口端214到EOT 204 内的远端216的流动的压降应为整个EOT 204总压降的约5％至10％。

对于EOT 204而言，每个孔口206和该孔口与上游孔口之间的EOT段起 到短孔口管的作用。因此，EOT 204可视为一系列端对端连接的多个短孔口管。 此为EOT 204与将总流穿过其输送的常规整体式孔口管的不同之处。通过将总 制冷剂流相等地分摊至这些短孔口管，实现了均匀的制冷剂分配。

EOT的内径的优选范围为使得该内径应足够大以抑制对制冷剂流的阻力， 以使少于分配量的制冷剂能够流至EOT的远端216，但又应足够小以防止进入 的两相制冷剂的第一混合物流分离成液体层和蒸气层。

孔口阵列的取向优选为孔口向上，背向重力方向。优选的是将孔口阵列206 取向为基本朝上，而不相对于重力方向侧向或朝下取向。如果孔口206基本上 朝下取向，则液相制冷剂将在进入EOT 204后不久在重力作用下从孔206排出， 并且液体制冷剂将不相称地偏向于最靠近入口端口110的孔206，仅留下一小 股液体流至距离入口端口110最远的最后几个孔口。在制冷剂流量低的状况下 尤其如此。

EOT 204中的总压降引起制冷剂的入口品质下降，这意味着液体对蒸气的 质量比增加，从而帮助EOT内的分配。在不具有EOT 204的情况下，进入蒸 发器100的液相对蒸气相的质量比会较低，导致制冷剂在整个制冷剂管106上 的分配不良。除作为均分机构之外，EOT 204因此也是节流机构，但节流在制 冷剂管106上方的EOT的整个长度上展开的多个级段中发生。因此，与没有 EOT且TXV是在蒸发器入口上游存在的唯一节流装置的情形相比，制冷剂管 106接收被均分的流。

具有HED 200的蒸发器100的有益效果在于，较之于仅具有常规孔口管 的蒸发器，具有HED的蒸发器实现了17％的节能。较之于仅具有TXV的蒸发 器，具有HED 200的蒸发器100还提供无噪声的均匀温度分布，并对与变化 的发动机转速(rpm)对应的突然瞬时制冷剂流作出反应。具有HED 200的蒸 发器100的另一有益效果在于，其消除了在蒸发器的下游侧对储液器/干燥器 (A/D)的需求，该储液器/干燥器(A/D)是常规孔口管系统所需要的并且会 增加压降以及降低空调系统的性能。蒸发器下游侧中每1psi的压降引起空气出 口温度的大约0.75℉的增加。A/D在高流量下通常增加约3psi的压降。

虽然本发明以其优选实施例进行了描述，但无意对本发明限制于此，而是 仅以所附的权利要求书中阐述的范围为准。