具有真空外殼的空調(diào)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】提供一種用于機動車輛的空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括具有制冷劑、第一部分和第二部分的真空外殼。系統(tǒng)進一步包括散熱器、芯以及在芯的下游的相變材料容器。管道和閥系統(tǒng)以兩種操作模式操作空調(diào)系統(tǒng)。
【專利說明】
具有真空外殼的空調(diào)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本公開總體涉及機動車輛領(lǐng)域，并且更具體地，涉及用于機動車輛的空調(diào)系統(tǒng)，該空調(diào)系統(tǒng)包含具有單個吸附床的真空外殼。
【背景技術(shù)】
[0002]本公開涉及新的、改進的空調(diào)系統(tǒng)，該空調(diào)系統(tǒng)在其使用時允許改善的駕駛員舒適度以及改善的燃油經(jīng)濟性。空調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)這些是通過降低或消除由傳統(tǒng)壓縮機驅(qū)動的AC(空調(diào))系統(tǒng)產(chǎn)生的AC附加負載，以及通過允許在發(fā)動機啟動時或啟動前為了乘客舒適而使用可用的遠程激活的艙內(nèi)空氣預(yù)調(diào)節(jié)立即輸送冷空氣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]依據(jù)本文所描述的目的和優(yōu)點，提供一種用于機動車輛的空調(diào)系統(tǒng)。該空調(diào)系統(tǒng)包含真空外殼，該真空外殼包括制冷劑、第一部分和第二部分?？照{(diào)系統(tǒng)還包括散熱器、芯以及在該芯下游的包括相變材料的容器。進一步地，空調(diào)系統(tǒng)包括管道和閥系統(tǒng)，借此(a)在第一操作模式下使第一熱交換流體循環(huán)通過散熱器和第一部分，并使第二熱交換流體循環(huán)通第二部分、芯和容器；以及(b)在第二操作模式下使第一熱交換流體循環(huán)通過散熱器和第二部分，并使第二熱交換流體循環(huán)通過芯和容器。
[0004]更具體地，第一部分包括用于吸附制冷劑蒸汽的吸附床和用于在第一操作模式下使第一熱交換流體循環(huán)通過吸附床的熱交換管道。
[0005]在一個可能的實施例中，吸附床包括多個干燥劑涂層板。進一步地，熱交換管道包括入口端和出口端，并且管道和閥系統(tǒng)包括在入口端的第一閥和在出口端的第二閥。
[0006]第二部分包括制冷劑蒸發(fā)器/冷凝器和熱交換流體管道，該熱交換流體管道用于在第一操作模式下使第二熱交換流體循環(huán)通過蒸發(fā)器/冷凝器，以及在第二操作模式下使第一熱交換流體循環(huán)通過蒸發(fā)器/冷凝器。熱交換流體管道進一步包括入口和出口，并且管道和閥系統(tǒng)包括在入口的第三閥和在出口的第四閥。
[0007]另外，管道和閥系統(tǒng)包括在芯上游的第五閥和在容器下游的第六閥。在散熱器和真空外殼之間設(shè)置有第一熱交換流體栗，以及在第五閥和芯之間設(shè)置有第二熱交換流體栗O
[0008]另外，空調(diào)系統(tǒng)包括熱回收管路。該熱回收管路包括排氣熱交換器、第三熱交換流體栗以及循環(huán)通過排氣熱交換器以獲取熱量的第三熱交換流體。管道和閥系統(tǒng)在第二操作模式中使第三熱交換流體從排氣熱回收管路循環(huán)通過第一部分的熱交換管道，以便加熱制冷劑并且使吸附器脫附。在一個可能的實施例中，排氣熱回收管路進一步包括第二容器，該第二容器含有用于儲存熱量的第二相變材料。
[0009]依據(jù)另一方面，提供一種用于車輛氣候控制系統(tǒng)的方法。該方法可以概括描述為包含以下步驟:(a)在第一操作模式下使第一熱交換流體循環(huán)通過散熱器和真空外殼的吸附器部分，并使第二熱交換流體循環(huán)通過真空外殼的蒸發(fā)器/冷凝器部分、芯和相變材料容器；以及(b)在第二操作模式下使第一熱交換流體循環(huán)通過散熱器和蒸發(fā)器/冷凝器，并且使第二熱交換流體循環(huán)通過芯和相變材料容器。
[0010]方法可以進一步包括在第二操作模式下使第三熱交換流體從排氣熱回收管路循環(huán)通過真空外殼的吸附器部分，以加熱制冷劑并使吸附器部分脫附的步驟。進一步地，方法可以包括使第三熱交換流體循環(huán)通過排氣熱交換器和第二相變材料容器。
[0011]另外，方法可以包括使將要調(diào)節(jié)的空氣循環(huán)通過與第二熱交換流體有熱交換關(guān)系的芯。進一步地，方法包括為空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置僅單個吸附器部分。仍然進一步地，方法包括為單個真空外殼設(shè)置向蒸發(fā)器/冷凝器部分開放的吸附器部分，其中吸附器部分儲存在第一操作模式期間從蒸發(fā)器/冷凝器部分去除的制冷劑蒸汽，并且蒸發(fā)器/冷凝器部分儲存在第二操作模式期間從吸附器部分釋放的制冷劑液體。在一個可能的實施例中，方法包括每3至12分鐘在第一操作模式和第二操作模式之間循環(huán)。進一步地，方法包括在第一操作模式期間冷卻吸附器部分，以便在真空外殼內(nèi)提供大約0.5至1.0kPa的絕對壓強。進一步地，方法包括在第二操作模式期間加熱吸附器部分，以便在真空外殼內(nèi)提供大約10至14kPa的絕對壓強。
[0012]在下面的描述中示出并描述了用于車輛氣候控制系統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)及其相關(guān)方法的一些優(yōu)選實施例。應(yīng)當意識到的是，空調(diào)系統(tǒng)及方法能夠具有其它的、不同的實施例，并且它門的一些具體細節(jié)能夠在各種各樣的、明顯的方面進行修改而完全不脫離如以下的權(quán)利要求中所闡明和描述的空調(diào)系統(tǒng)及方法。相應(yīng)地，附圖和說明書本質(zhì)上應(yīng)當被視為說明性的而不是限制性的。
【附圖說明】
[0013]包含于本文中并形成說明書的一部分的附圖，示出了空調(diào)系統(tǒng)的一些方面，并連同說明書一起用于解釋它們的某些原理。在附圖中:
[0014]圖1是空調(diào)系統(tǒng)的示意性框圖；
[0015]圖2是說明在第一或吸附/蒸發(fā)操作模式下操作的空調(diào)系統(tǒng)的示意性框圖；
[0016]圖3是說明在第二或脫附/冷凝操作模式下操作的空調(diào)系統(tǒng)的示意性框圖。
[0017]現(xiàn)在將詳細地參照呈現(xiàn)的空調(diào)系統(tǒng)及相關(guān)方法的優(yōu)選實施例，其示例在附圖中進行說明。
【具體實施方式】
[0018]現(xiàn)在參照圖1，示意性地說明了作為本文主題的空調(diào)系統(tǒng)10。該空調(diào)系統(tǒng)10包括真空外殼12、第一部分14、第二部分16以及制冷劑18。第一部分14、第二部分16、以及制冷劑18全都保持在真空外殼12中。
[0019]更具體地，第一部分14包含用于吸附并儲存制冷劑蒸汽的吸附床。該吸附床14可以包含，例如多個干燥劑涂層板22(見圖2和3)。干燥劑類型可以是沸石或金屬有機骨架(M0F)。當然，如果需要，也可以使用適于該目的的其它干燥劑類型。
[0020]第二部分16包含制冷劑蒸發(fā)器/冷凝器，該制冷劑蒸發(fā)器/冷凝器用作液體制冷劑儲存裝置，并且基于外殼壓強和溫度來冷凝蒸汽或蒸發(fā)液體。正如將從如下描述中顯而易見的那樣，制冷劑18作為蒸汽和液體在第一部分或吸附床14和第二部分或蒸發(fā)器/冷凝器16之間往返。真空外殼12內(nèi)的第一和第二部分14、16未由任何隔壁分隔，以最小化蒸汽流動阻力。在一個可能的實施例中，制冷劑18是具有高蒸發(fā)潛熱的水。然而，應(yīng)當領(lǐng)會的是，也可以使用其它制冷劑。那些其它制冷劑包括但不必限于，氨、甲醇/水、或像R1234yf這樣的常用汽車制冷劑。
[0021]進一步如圖1所述，空調(diào)系統(tǒng)10包括散熱器24和芯26，其中散熱器24有效替代了最先進的車輛空調(diào)系統(tǒng)中的冷凝器，以及芯26有效替代了現(xiàn)有技術(shù)水平下車輛空調(diào)系統(tǒng)中的冷凝器。進一步如圖所述，在芯26的下游設(shè)置有相變材料(PCM)容器28。仍然進一步地，空調(diào)系統(tǒng)10包括總體由附圖標記30來指示的熱回收管路，其將在下文中詳細描述。
[0022]空調(diào)系統(tǒng)10包括兩種操作模式。在圖2示出的第一或吸附/蒸發(fā)操作模式中，第一熱交換流體通過栗23從使其冷卻的散熱器24循環(huán)通過與第一部分/吸附器14有熱交換關(guān)系的熱交換管道32，借此冷卻吸附器以去除吸附的熱量(注意行動箭頭A)。第一部分/吸附器14的冷卻使真空外殼12內(nèi)的絕對壓強降低至大約0.5-1.0kPa的范圍。這使得吸附床14的干燥劑涂層板22能夠吸引并儲存制冷劑蒸汽。
[0023]真空外殼12內(nèi)壓強降低至液體制冷劑18的飽和壓強水平和由吸附床吸收蒸汽，使第二部分或蒸發(fā)器/冷凝器16的板表面上的液體制冷劑18薄膜產(chǎn)生強烈的蒸發(fā)(沸騰)。在真空外殼12內(nèi)生成的制冷劑蒸汽被輸送至并儲存于板22。
[0024]在此第一操作模式期間，第二熱交換流體通過栗42循環(huán)通過第二部分或蒸發(fā)器/冷凝器16的熱交換管路34、芯26和PCM容器28(注意行動箭頭B)。其結(jié)果是，芯26被冷卻至大約5-7°C溫度范圍，用于與正通過鼓風機35循環(huán)通過機動車輛乘客艙C的空氣(注意行動箭頭D)進行熱交換。因此該空氣被冷卻并除濕。隨后第二熱交換流體向PCM容器循環(huán)，在那里第二熱交換流體用于凍結(jié)該容器中的相變材料。容器28可以例如由相變材料填充到管中并且制冷劑在殼側(cè)流動的管殼式結(jié)構(gòu)構(gòu)成。熱絕緣可以是雙層壁真空間隙類型，作為選擇地，或另外地，PCM容器28可以由真空絕熱板(VIP)材料包裹。PCM容器28通常包含2-4kg相變材料，該相變材料的潛熱在150-350kJ/kg范圍內(nèi)，并且熔點在8-10°C溫度范圍內(nèi)。
[0025]在所述實施例中，PCM容器28定位于芯26的下游。應(yīng)當領(lǐng)會的是，作為選擇地，PCM容器28可以基于特定的熱管理需求而選擇性地定位于芯26的上游。當定位于上游時，由于進入芯的熱交換流體已經(jīng)從相變材料接收到一些熱量而更暖，因此較少需要空氣再加熱或不再需要空氣再加熱。
[0026]在冬天或其它適當?shù)臅r間，來自芯26的空氣可以在其進入客艙前被引導向單獨的加熱器芯(未示出)，以便將空氣溫度升高至乘員所需的舒適水平。
[0027]芯26可以構(gòu)造成類似于通常用于客艙加熱的汽車加熱器芯。HVAC(暖通空調(diào))鼓風機35推動空氣穿過與循環(huán)的第二制冷劑有熱交換關(guān)系的芯26，并隨后進入車輛客艙C，以為車輛乘員提供冷卻。
[0028]在第一操作模式期間，栗36使第三制冷劑在排氣熱交換器38和PCM容器40之間的封閉的排氣熱回收管路30中循環(huán)，以便將熱量儲存于在該容器內(nèi)保持的相變材料中(注意行動箭頭E )。
[0029]在圖3所述的第二或脫附/冷凝操作模式中，加熱的第三制冷劑在第一部分/吸附器14的熱交換管道32和熱回收管路30之間循環(huán)(見行動箭頭F)。來自第三交換流體的熱量使得真空外殼12內(nèi)的絕對壓強上升至10-14kPa，并使得吸附床14排出冷凝于第二部分或蒸發(fā)器/冷凝器16的板表面的制冷劑蒸汽。同時，冷凝的熱量通過第一熱交換流體在第二部分16的熱交換管道34和散熱器24之間的循環(huán)(注意行動箭頭G)而從第二部分或蒸發(fā)器/冷凝器16去除，在散熱器24處，熱量由通過散熱器的環(huán)境空氣而排入到環(huán)境中。
[0030]進一步如圖3所述，在該第二操作模式中，第二熱交換流體通過栗42循環(huán)至芯26和PCM容器(注意行動箭頭J)。更具體地，凍結(jié)的PCM容器28中的相變材料使隨后傳送至芯26的制冷劑冷卻。鼓風機35推動空氣(注意行動箭頭D)穿過與制冷劑有熱交換關(guān)系的芯26，借此冷卻隨后將要傳送至車輛客艙C的空氣。應(yīng)當領(lǐng)會的是，這允許冷空氣不間斷地傳送至客艙，同時將吸附床14再生以為下個吸附/蒸發(fā)操作模式周期做準備。在一個可能的實施例中，空調(diào)系統(tǒng)10每3至12分鐘在操作模式之間循環(huán)，時間范圍基于各種需求特性來調(diào)整，以用于冷卻客艙并最大化凍結(jié)的相變材料部分。這對于使在下次車輛起動時可使用“快速冷卻”的車輛停車時間最大化是必須的。當然，還應(yīng)當領(lǐng)會的是，可使用“快速冷卻”的時間可以通過增加保持于容器28內(nèi)的相變材料的量、使用更高潛熱的相變材料類型或改善容器絕緣性來延長。
[0031]管道和閥系統(tǒng)包括六個閥50、52、54、56、58、60，以便隨著空調(diào)系統(tǒng)10通過第一和第二操作模式循環(huán)而控制三種不同制冷劑液體的流動。在第一部分熱交換管道32的入口端設(shè)置有第一閥50，而在該管道的出口端設(shè)置有第二閥52。在第二部分熱交換管道34的入口端設(shè)置有第三閥54，而在該管道的出口端設(shè)置有第四閥56。最后在芯26的上游設(shè)置有第五閥58，而在PCM容器28的下游設(shè)置有第六閥60。
[0032]總之，通過空調(diào)系統(tǒng)10提供了許多益處。應(yīng)當領(lǐng)會的是，散熱器24有效取代了在現(xiàn)有技術(shù)水平下的壓縮機驅(qū)動的車輛空調(diào)系統(tǒng)中使用的空調(diào)冷凝器，而芯26有效取代了現(xiàn)有技術(shù)水平下的蒸發(fā)器。這消除了由傳統(tǒng)的壓縮機驅(qū)動的AC系統(tǒng)產(chǎn)生的AC附加載荷，借此增加了發(fā)動機功率和燃油經(jīng)濟性。進一步地，通過在PCM容器40中的相變材料中儲熱和在PCM容器28中的相變材料中儲冷，空調(diào)系統(tǒng)10按照需求持續(xù)提供快速加熱或冷卻，以便在發(fā)動機啟動之前遠程預(yù)調(diào)節(jié)乘客艙C內(nèi)的空氣。
[0033]空調(diào)系統(tǒng)10用于提供簡單高效的用于車輛氣候控制的方法，該方法可以概括的描述為包含以下步驟:在第一操作模式下使第一熱交換流體循環(huán)通過散熱器24和真空外殼12的第一或吸附器部分14，并使第二熱交換流體循環(huán)通過第二或蒸發(fā)器/冷凝器部分16(在相同的真空外殼12中)、芯26和相變材料容器28。相比之下，在第二操作模式下，方法包括使第一熱交換流體循環(huán)通過散熱器24和第二或蒸發(fā)器/冷凝器部分16，并使第二熱交換流體循環(huán)通過芯26和相變材料容器28。
[0034]方法進一步包括在第二操作模式下使第三熱交換流體從排氣熱回收管路30循環(huán)通過真空外殼12的第一或吸附器部分14，以便加熱制冷劑18并使吸附器部分脫附。正如所描述的那樣，第三熱交換流體通過栗36持續(xù)地循環(huán)通過排氣熱交換器38和第二相變材料容器40，以便將熱量儲存在容器40中的相變材料內(nèi)。
[0035]同樣如前所述，方法包括使將要調(diào)節(jié)的空氣循環(huán)通過與第二熱交換流體有熱交換關(guān)系的芯26。
[0036]有利地，空調(diào)系統(tǒng)10具有僅單個的吸附器部分14，該吸附器部分14比現(xiàn)有的包括多個吸附器部分的基于吸附器的空調(diào)系統(tǒng)節(jié)省了大量的重量和空間。同樣正如描述的那樣，空調(diào)系統(tǒng)10包括僅僅單個真空外殼12，其中吸附器部分14向蒸發(fā)器/冷凝器部分16開放，以便始終以最高效率操作。作為結(jié)果，空調(diào)系統(tǒng)10可以在允許車輛以更大的燃油經(jīng)濟性操作的同時更有效并高效地為車輛乘員冷卻機動車輛客艙C。
[0037]以上呈現(xiàn)的內(nèi)容目的在于說明和描述。并非旨在窮舉或?qū)嵤├拗频剿_的精確形式。根據(jù)上述教導，明顯的修改和變化是有可能的。當根據(jù)所附權(quán)利要求公平、合法以及合理地享有的廣度來解釋時，所有這些修改和變化都在所附權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種用于機動車輛的空調(diào)系統(tǒng)，包含: 真空外殼，所述真空外殼包括制冷劑、第一部分和第二部分； 散熱器； 芯； 在所述芯下游的容器，所述容器包括相變材料；以及 管道和閥系統(tǒng)，借助于所述管道和閥系統(tǒng)以(a)在第一操作模式下，使第一熱交換流體循環(huán)通過所述散熱器和所述第一部分，并使第二熱交換流體循環(huán)通過所述第二部分、所述芯和所述容器，以及(b)在第二操作模式下，使所述第一熱交換流體循環(huán)通過所述散熱器和所述第二部分，并使所述第二熱交換流體循環(huán)通過所述芯和所述容器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述第一部分包括用于吸附制冷劑蒸汽的吸附床和用于在所述第一操作模式下使所述第一熱交換流體循環(huán)通過所述吸附床的熱交換管道。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述吸附床包括多個干燥劑涂層板。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述熱交換管道包括入口端和出口端，并且所述管道和閥系統(tǒng)包括在所述入口端的第一閥和在所述出口端的第二閥。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述第二部分包括制冷劑蒸發(fā)器/冷凝器和熱交換流體管道，所述熱交換流體管道用于在所述第一操作模式下使所述第二熱交換流體循環(huán)通過所述蒸發(fā)器/冷凝器，以及在所述第二操作模式下使所述第一熱交換流體循環(huán)通過所述蒸發(fā)器/冷凝器。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中所述熱交換流體管道包括入口和出口，并且所述管道和閥系統(tǒng)包括在所述入口的第三閥和在所述出口的第四閥。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述管道和閥系統(tǒng)包括在所述芯上游的第五閥和在所述容器下游的第六閥。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，包括在所述散熱器和所述真空外殼之間的第一熱交換流體栗和在所述第五閥和所述芯之間的第二熱交換流體栗。9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，進一步包括熱回收管路，所述熱回收管路包括排氣熱交換器、第三熱交換流體栗，以及循環(huán)通過所述排氣熱交換器以獲取熱量的第三熱交換流體。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述管道和閥系統(tǒng)在所述第二操作模式下使所述第三熱交換流體從所述排氣熱回收管路循環(huán)通過所述第一部分的所述熱交換管道，以便加熱所述制冷劑并使所述吸附器脫附。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述排氣熱回收管路包括第二容器，所述第二容器包含用于儲存熱量的第二相變材料。12.—種用于車輛氣候控制系統(tǒng)的方法，包含: 在第一操作模式下，使第一熱交換流體循環(huán)通過散熱器和真空外殼的吸附器部分，并使第二熱交換流體循環(huán)通過所述真空外殼的蒸發(fā)器/冷凝器部分、芯和相變材料容器;以及 在第二操作模式下，使所述第一熱交換流體循環(huán)通過所述散熱器和所述蒸發(fā)器/冷凝器，并使所述第二熱交換流體循環(huán)通過所述芯和所述相變材料容器。13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，進一步包括在所述第二操作模式下使第三熱交換流體從排氣熱回收管路循環(huán)通過所述真空外殼的所述吸附器部分，以便加熱制冷劑并使所述吸附器部分脫附。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，包括在所述第一操作模式下使所述第三熱交換流體循環(huán)通過排氣熱交換器和第二相變材料容器，以便在所述第二相變材料容器內(nèi)所保持的相變材料中儲存熱量。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，包括使將要被調(diào)節(jié)的空氣循環(huán)通過與所述第二熱交換流體有熱交換關(guān)系的所述芯。16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，包括為空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置僅單個吸附器部分。17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，包括為單個真空外殼設(shè)置向所述蒸發(fā)器/冷凝器部分開放的吸附器部分，其中所述吸附器部分儲存在所述第一操作模式期間從所述蒸發(fā)器/冷凝器部分去除的制冷劑蒸汽，并且所述蒸發(fā)器/冷凝器部分儲存在所述第二操作模式期間從所述吸附器部分釋放的制冷劑液體。18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，包括每3至12分鐘在所述第一操作模式和所述第二操作模式之間循環(huán)。19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，包括在所述第一操作模式期間冷卻所述吸附器部分，以便在所述真空外殼內(nèi)提供大約0.5至大約1.0kPa之間的絕對壓強。20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，包括在所述第二操作模式期間加熱所述吸附器部分，以便在所述真空外殼內(nèi)提供大約10至大約14kPa之間的絕對壓強。
【文檔編號】B60H1/00GK106042821SQ201610165879
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年3月22日 公開號201610165879.4, CN 106042821 A, CN 106042821A, CN 201610165879, CN-A-106042821, CN106042821 A, CN106042821A, CN201610165879, CN201610165879.4
【發(fā)明人】邁克爾·萊文, F·扎法爾·沙伊克, 丹里克·亨利·德米特羅夫
【申請人】福特全球技術(shù)公司