相變材料蒸發(fā)器充能控制的制作方法
【專利摘要】一種蒸發(fā)器具有歧管和從歧管在重力方向上向下延伸的多個(gè)制冷劑管。蒸發(fā)器包括接合制冷劑管的上部以儲(chǔ)存相變材料的至少一個(gè)PCM外殼。當(dāng)以第一操作模式操作時(shí)，熱從相變材料傳到制冷劑以凍結(jié)并且冷卻相變材料。當(dāng)以第二操作模式操作時(shí)，熱從制冷劑傳到凍結(jié)的相變材料以使制冷劑冷凝。冷凝的制冷劑通過管下降并且從空氣流動(dòng)接收熱以冷卻空氣并且使制冷劑蒸發(fā)。蒸發(fā)的制冷劑上升回到冷歧管的低壓。
【專利說明】相變材料蒸發(fā)器充能控制
[0001] 相關(guān)專利申請(qǐng)
[0002] 本申請(qǐng)要求保護(hù)在2012年3月21日提交的名稱為"相變材料蒸發(fā)器充能控 制（Phase Change Material Evaporator Charging Control)，'的美國臨時(shí)申請(qǐng)序列號(hào) No. 61/613,684的優(yōu)先權(quán)。而且，本申請(qǐng)涉及E. Wolfe IV等人在2009年6月10日提交的 名稱為"蒸發(fā)器相變熱虹吸（Evaporator Phase Change Thermal Siphon)"的美國專利申 請(qǐng)系列號(hào)第12/481，933號(hào)、G. Vreeland等人在2012年4月20日提交的名稱為"蒸發(fā)器相 變熱虹吸（Evaporator Phase Change Thermal Siphon)"美國專利申請(qǐng)第 13/451，665 號(hào)以 及G. Vreeland等人在2012年9月19日年提交的名稱為"帶有百葉板式蛤狀殼的PCM蒸發(fā) 器（PCM Evaporator with Louvered Clam Shells)"的美國專利申請(qǐng)系列號(hào)第 61/702, 889 號(hào)。所有前述相關(guān)申請(qǐng)以引用的方式并入到本文中。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003] 本發(fā)明涉及一種用于車輛空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)器；更特定而言，涉及一種具有相變材 料的蒸發(fā)器；以及，更特定而言，涉及對(duì)相變材料的充能控制。

【背景技術(shù)】
[0004] 混合車輛可以采用皮帶傳動(dòng)交流發(fā)電機(jī)起動(dòng)器（BAS)技術(shù)來提高能量效率。在交 通信號(hào)燈處停止或者在延長空轉(zhuǎn)期間，發(fā)動(dòng)機(jī)被關(guān)掉以實(shí)現(xiàn)提高的燃料經(jīng)濟(jì)性。在釋放制 動(dòng)踏板時(shí)，電動(dòng)馬達(dá)/發(fā)電機(jī)單元瞬時(shí)重起發(fā)動(dòng)機(jī)，通常在少于半秒的時(shí)間，使得自動(dòng)起動(dòng) 系統(tǒng)對(duì)于駕駛員而言基本上是易懂的。這被稱作停-起策略以提高燃料經(jīng)濟(jì)性。BAS車輛 可以在城市提供15-20%的燃料經(jīng)濟(jì)性增益和4%至7%的總?cè)剂辖?jīng)濟(jì)性。對(duì)于30mpg燃料 經(jīng)濟(jì)性的基準(zhǔn)汽油車輛而言，這等效于燃料經(jīng)濟(jì)性改進(jìn)的1. 2至2. lmpg增加。
[0005] 雖然停-起策略改進(jìn)了燃料經(jīng)濟(jì)性，但其可能有損乘員舒適感。停止發(fā)動(dòng)機(jī)禁用 皮帶驅(qū)動(dòng)的空調(diào)系統(tǒng)，導(dǎo)致用于乘員艙的冷卻中斷。同時(shí)，車輛OEM目前依靠空調(diào)蒸發(fā)器的 熱慣性以在停止發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)段提供某些殘留冷卻。蒸發(fā)器殘留冷卻時(shí)間通常被限制為25 秒或更短，之后蒸發(fā)器的排放溫度升高到高于不再提供所希望的冷卻的水平。當(dāng)蒸發(fā)器被 溫?zé)岬揭?guī)定的空氣排放溫度時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)重起以驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)提供冷卻。在空轉(zhuǎn)條件下這種 周期性重起破壞了由混合車輛可能實(shí)現(xiàn)的平均燃料經(jīng)濟(jì)性。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 根據(jù)本發(fā)明的一方面，管理相變材料（PCM)熱虹吸蒸發(fā)器的方法包括以下步驟： 確定蒸發(fā)器出氣溫度（Ε0ΑΤ);以及判斷空調(diào)（A/C)系統(tǒng)是否以瞬態(tài)冷卻模式或穩(wěn)態(tài)模式操 作；以及，最后判斷PCM蒸發(fā)器的充能優(yōu)先級(jí)高于標(biāo)準(zhǔn)舒適感維持的優(yōu)先級(jí)。如果空調(diào)系統(tǒng) 在瞬態(tài)冷卻模式操作，并且PCM充能優(yōu)先級(jí)高于舒適感維持，那么HVAC模塊鼓風(fēng)機(jī)電壓被 超馳到比標(biāo)準(zhǔn)舒適感維持鼓風(fēng)機(jī)電壓更低的值以實(shí)現(xiàn)降低的蒸發(fā)器溫度從而實(shí)現(xiàn)PCM材 料充能。相反地，如果空調(diào)系統(tǒng)以穩(wěn)態(tài)模式操作，那么預(yù)定超馳鼓風(fēng)機(jī)電壓僅根據(jù)蒸發(fā)器出 氣溫度進(jìn)行選擇，并且使用充能狀態(tài)指標(biāo)來允許或禁止鼓風(fēng)機(jī)超馳和因此PCM充能。
[0007] 通過閱讀下文的說明書，本發(fā)明的這些和其它特征和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得顯然，下文的 描述與附圖一起詳細(xì)地描述本發(fā)明的優(yōu)選和替代實(shí)施例。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 將參考附圖，以舉例說明的方式來進(jìn)一步描述本發(fā)明，在附圖中：
[0009] 圖1示出了用于本發(fā)明中的熱虹吸PCM蒸發(fā)器的立體圖；
[0010] 圖2以分解立體圖示出了圖1的熱虹吸PCM蒸發(fā)器，描繪了其內(nèi)部細(xì)節(jié)；
[0011] 圖3示出了用于HVAC模塊內(nèi)的圖1的PCM蒸發(fā)器；
[0012] 圖4為示出了具有PCM蒸發(fā)器和不具有PCM蒸發(fā)器的HVAC模塊的對(duì)比通風(fēng)管溫 度與時(shí)間特征的圖表；
[0013] 圖5示出了在空調(diào)瞬態(tài)操作期間用于管理PCM充能的流程圖；
[0014] 圖6示出了用于監(jiān)視和管理圖1的PCM蒸發(fā)器的穩(wěn)態(tài)充能的流程圖，
[0015] 圖7為示出了 PCM充能狀態(tài)（％)、控制設(shè)置點(diǎn)（°C)與時(shí)間的圖表，示出了在再熱 級(jí)數(shù)減少（SSR)操作期間的PCM蒸發(fā)器的循環(huán)充能；以及
[0016] 圖8示出了 SSR兼容的充能算法的流程圖。
[0017] 盡管附圖表示本發(fā)明的實(shí)施例，附圖未必按照比例繪制并且某些特征可能被夸大 以說明并且解釋本發(fā)明。本文所陳述的范例說明了一形式的本發(fā)明的實(shí)施例并且這些范例 未必被理解為以任何方式限制本發(fā)明的范圍。

【具體實(shí)施方式】
[0018] 為了改進(jìn)停-起混合車輛燃料經(jīng)濟(jì)性，形成了基于相變材料（PCM)的熱儲(chǔ)存技術(shù)， 來儲(chǔ)存在道路負(fù)載操作期間獲得的過量冷卻并且在交通運(yùn)輸停止時(shí)提供所儲(chǔ)存的冷卻來 為乘員提供舒適感。如在圖1中所示，PCM材料通常被整合到蒸發(fā)器的頂部內(nèi)以提供冷卻 儲(chǔ)存能力。由于PCM材料的潛熱顯著大于其顯熱，可以在需要重起發(fā)動(dòng)機(jī)之前向乘客艙提 供延長時(shí)段的舒適感。在大部分交通停止期間，重起頻率減小，或者完全排除發(fā)動(dòng)機(jī)重起， 允許停-起策略實(shí)現(xiàn)其完全燃料經(jīng)濟(jì)潛力。
[0019] 參考圖1，示出了蒸發(fā)器100的優(yōu)選示例性實(shí)施例，該蒸發(fā)器100具有與制冷劑管 16的上部區(qū)域14熱連通的多個(gè)PCM外殼12。蒸發(fā)器10包括上歧管18和下歧管20,其中， 術(shù)語上和下結(jié)合重力方向使用。平坦的制冷劑管16液壓連接上歧管18與下歧管20,平坦 制冷劑管16可以由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的任何方法制成，諸如通過擠壓、折疊導(dǎo)熱材 料薄片或者組裝具有沖壓特征的兩個(gè)半板，沖壓特征限定流動(dòng)空間。雖然示出了平坦的管， 本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到也可以利用其它制冷劑管形狀。
[0020] 參考圖2,示出了蒸發(fā)器10的局部分解視圖，蒸發(fā)器10由多個(gè)沖壓金屬板22制 成。沖壓金屬板22包括本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的特征，諸如開口、圍繞選定開口的凸臺(tái) 以及凸緣。當(dāng)堆疊并且釬焊時(shí)，多個(gè)沖壓金屬板22限定上歧管18、下歧管20和液壓地連接 歧管18、20的平坦制冷劑管16。PCM外殼24插入于相鄰平坦制冷劑管16之間，PCM外殼 24容納相變材料。PCM外殼24可以由在堆疊并且釬焊沖壓的金屬板22上的結(jié)構(gòu)特征限定 或者可以單獨(dú)地制造并且然后組裝到蒸發(fā)器10上。PCM外殼24安置于相鄰的平坦制冷劑 管16之間并且僅與平坦制冷劑管16的上部區(qū)域14熱接觸。PCM外殼24可以包圍上歧管 18的部分，或者替代地，PCM外殼24可以單獨(dú)于上歧管18,并且定位于在緊鄰上歧管18下 方的平坦制冷劑管16的上部區(qū)域14中。導(dǎo)熱材料諸如金屬翅片12或者金屬粒子或纖維 可以附加到PCM外殼24中以增加傳熱效率。波紋翅片26可以在PCM外殼24下方插入于 相鄰制冷劑管16之間。
[0021] 圖3示出了 PCM蒸發(fā)器28在空調(diào)系統(tǒng)HVAC模塊30中的應(yīng)用。PCM蒸發(fā)器28取代 傳統(tǒng)的非PCM蒸發(fā)器并且變成空調(diào)系統(tǒng)30的整體部分。PCM蒸發(fā)器28嵌套地安置于HVAC 空氣流動(dòng)管32內(nèi)，使得如箭頭34所示穿過那里流動(dòng)的空氣穿過PCM蒸發(fā)器28的下部36。 離開PCM蒸發(fā)器28的空氣流動(dòng)由擋門38選擇性地導(dǎo)向通過旁通通路40或加熱器芯42朝 向出口端口 44。
[0022] 圖4以曲線圖示出了 PCM冷卻儲(chǔ)存在持續(xù)時(shí)間方面的影響，在這段持續(xù)時(shí)間內(nèi)，實(shí) 現(xiàn)了持續(xù)的低通風(fēng)出口排放溫度。通常，適用的排放溫度的持續(xù)時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)非PCM配備蒸 發(fā)器的二倍或三倍。
[0023] 本發(fā)明的實(shí)施例關(guān)注PCM蒸發(fā)器的管理使用以實(shí)現(xiàn)最大燃料經(jīng)濟(jì)節(jié)省。本發(fā)明直 接應(yīng)用于具有自動(dòng)氣候控制系統(tǒng)的車輛。然而，其也適用于增強(qiáng)的手動(dòng)控制的空調(diào)系統(tǒng)。
[0024] 基礎(chǔ)是充能狀態(tài)指標(biāo)的確定。已知充能狀況，能智能地管理充能過程以增加在交 通停止時(shí)PCM冷卻的操作可用性并且實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的燃料經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，也使得能實(shí)現(xiàn)與再熱 級(jí)數(shù)減少（系列再熱減少）（SRR)控制方法的操作兼容性，允許輕度混合車輛同時(shí)從PCM和 SRR的能量節(jié)省益處。
[0025] 充能狀態(tài)指標(biāo)
[0026] 在本發(fā)明中提供了一種限定充能指標(biāo)狀態(tài)的方法。根據(jù)Max Planck(1858_1947, 德國，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，1918)，具有單個(gè)凍結(jié)/熔化溫度的具體形狀的純或均質(zhì)物 質(zhì)的液體/固體相變時(shí)間可以根據(jù)下式來確定：
[0027]

【權(quán)利要求】
1. 一種控制空調(diào)系統(tǒng)中的PCM熱虹吸蒸發(fā)器中的熱充能的方法，所述方法包括以下步 驟： 測量所述蒸發(fā)器出氣溫度并且根據(jù)所述蒸發(fā)器出氣溫度生成充能狀態(tài)指標(biāo)控制信 號(hào)； 判斷所述空調(diào)系統(tǒng)是否以瞬態(tài)冷卻模式或以穩(wěn)態(tài)模式操作并且根據(jù)所述判斷生成空 調(diào)操作模式信號(hào)； 確定PCM熱虹吸蒸發(fā)器充能優(yōu)先級(jí)； 當(dāng)PCM熱虹吸蒸發(fā)器充能優(yōu)先級(jí)高于舒適感維持優(yōu)先級(jí)時(shí)，選擇低于標(biāo)準(zhǔn)空調(diào)瞬態(tài)舒 適感控制鼓風(fēng)機(jī)電壓的第一預(yù)定鼓風(fēng)機(jī)電壓以實(shí)現(xiàn)PCM充能；以及 當(dāng)所述空調(diào)系統(tǒng)以所述穩(wěn)態(tài)模式操作并且判斷需要鼓風(fēng)機(jī)電壓超馳時(shí)，根據(jù)狀態(tài)變化 信號(hào)選擇低于標(biāo)準(zhǔn)空調(diào)舒適感維持穩(wěn)態(tài)的鼓風(fēng)機(jī)電壓的第二預(yù)定鼓風(fēng)機(jī)電壓。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟： 測量所述蒸發(fā)器出氣溫度并且通過使用所述測量的蒸發(fā)器出氣溫度的估計(jì)制冷劑溫 度與所述PCM相凍結(jié)溫度之間的差隨著時(shí)間求積分來確定所述熱充能狀態(tài)指標(biāo)；以及 向所述積分值施加校準(zhǔn)系數(shù)使得所述充能狀態(tài)指標(biāo)提供PCM充能百分比。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟： 在空調(diào)關(guān)閉時(shí)間的延長的校準(zhǔn)時(shí)段之后初始化所述充能狀態(tài)指標(biāo)為零；以及 當(dāng)積分充能狀態(tài)指標(biāo)大于1 (100% )時(shí)截短所述充能狀態(tài)指標(biāo)為值1 (100% )。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟： 測量所述周圍溫度并且比較所述測量的周圍溫度與兩個(gè)預(yù)定的可校準(zhǔn)的溫度閾值，以 確定：所述空調(diào)在所述PCM被自然充能的低周圍環(huán)境區(qū)操作；所述周圍環(huán)境處于所述第二 溫度區(qū)，其中，能夠由鼓風(fēng)機(jī)電壓超馳來充能所述PCM;所述周圍環(huán)境為高溫區(qū)，其中，PCM 充能是不可能的；以及 在所述第二周圍溫度區(qū)中超馳所述穩(wěn)態(tài)鼓風(fēng)機(jī)電壓以實(shí)現(xiàn)PCM充能。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征還在于，包括以下步驟： 建立充能狀態(tài)指標(biāo)閾值以管理所述鼓風(fēng)機(jī)超馳，當(dāng)所述充能狀態(tài)指標(biāo)低于所述預(yù)定校 準(zhǔn)器閾值時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)超馳接通，并且當(dāng)所述充能狀態(tài)指標(biāo)指示100 %充能時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)超馳斷 開。
6. -種控制壓縮機(jī)操作設(shè)置點(diǎn)的方法，所述壓縮機(jī)操作設(shè)置點(diǎn)允許熱充能空調(diào)系統(tǒng)中 的PCM熱虹吸蒸發(fā)器，所述空調(diào)系統(tǒng)與再熱級(jí)數(shù)減少空調(diào)系統(tǒng)能量效率控制方法兼容，所 述方法包括以下步驟： 測量所述蒸發(fā)器輸出溫度并且控制所述壓縮機(jī)以提供低蒸發(fā)器出氣溫度，滿足蒸發(fā)器 防凍要求并且同時(shí)充能所述PCM蒸發(fā)器； 計(jì)算所述PCM蒸發(fā)器的充能狀態(tài)指標(biāo)； 當(dāng)所述充能狀態(tài)指標(biāo)充滿時(shí)，升高所述壓縮機(jī)控制設(shè)置點(diǎn)為更高的可校準(zhǔn)溫度，諸如 10°C以減小壓縮機(jī)負(fù)荷并且實(shí)現(xiàn)了增加的能量效率，如在再熱級(jí)數(shù)減少方法中通常的情 況；以及 使用所述充能狀態(tài)指標(biāo)建立可校準(zhǔn)的下PCM充能閾值，并且當(dāng)所述充能狀態(tài)指標(biāo)降低 到低于所述建立的閾值時(shí)，操作所述壓縮機(jī)到計(jì)劃用于蒸發(fā)器凍結(jié)控制的減小的設(shè)置點(diǎn)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟： 測量所述蒸發(fā)器出氣溫度并且通過將使用所述測量的蒸發(fā)器出氣溫度的估計(jì)的制冷 劑溫度與所述PCM相凍結(jié)溫度之間的差隨著時(shí)間求積分來確定所述熱充能狀態(tài)指標(biāo)；以及 向所述積分值施加校準(zhǔn)系數(shù)使得所述充能狀態(tài)指標(biāo)提供PCM充能的百分比。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟： 在空調(diào)關(guān)閉時(shí)間的延長校準(zhǔn)時(shí)段之后初始化所述充能狀態(tài)指標(biāo)為零；以及 當(dāng)積分充能狀態(tài)指標(biāo)大于1 (100% )時(shí)截短所述充能狀態(tài)指標(biāo)為值1 (100% )。
【文檔編號(hào)】F25B39/02GK104254745SQ201380015628
【公開日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2013年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月21日
【發(fā)明者】M·王, P·S·凱德爾, E·沃爾夫 申請(qǐng)人:德爾福技術(shù)有限公司