带有抗回流控制的HVAC单元和操作方法与流程

本申请为2015年4月14日提交的题为“AN HVAC MODULE HAVING AN OPEN ARCHITECTURE(具有开放式架构的供暖、通风以及空气调节模块)”的美国申请第14/685,933号的部分连续申请，该申请的全部内容以参见的方式纳入本文。

技术领域

本发明涉及用于乘用车的供暖、通风和空气调节(HVAC)模块。

背景技术：

传统的机动车辆通常具有单个温控区域的空调系统，该空调系统设计成将经调节的空气提供给车辆的车厢中的前排乘客。随着车辆的尺寸增大，并且随着车辆乘客要求更多豪华的特征，能够提供多个温控区域的空调系统或者多区域空调系统变得更为广泛。多区域空调系统允许驾驶员、前排乘客、甚至后座乘客能在他们的相应区域进行单独的温度控制，从而提升乘客在每个区域中的舒适性。诸如运动多功能车(SUV)和小型货车之类的较大尺寸车辆可在车厢中具有多达四个或更多个个别的区域。作为示例，小型货车的车厢可分成四个单独的区域，其中驾驶员空间可以是区域1，前排乘客空间可以是区域2、第二排就座空间可以是区域3以及第三排就座空间可以是区域4。

用于单区域空调系统的传统供暖、通风和空气调节(HVAC)模块通常设计成最优地使用在给定类型的车辆中的可用空间量并适应于该空间的形状。具有对多个区域提供温度控制的能力的HVAC模块特定地针对精确数量的区域进行设计、加工并制造。对于多区域HVAC模块的产量通常比对于单区域或双区域模块的产量低得多。同样地，对于如此少的车辆设计这种多区域HVAC模块是更昂贵的。此外，为了实现附加的温控区域而受迫构建完全不同的HVAC模块对于制造单元和制造工艺总体会是极为不利的。

典型的多区域HVAC模块使用分隔壁，这些分隔壁向上延伸至该HVAC模块内的各个热交换器以提供多条调节空气流。这些多条空气流用于在相关的车厢中实现多区域的气候控制。区域的数量越多，则需要的分隔壁数量越多并且需要的热交换器尺寸越大。然而，多区域HVAC模块应适应于单区域HVAC模块放置处的有限尺寸和形状，从而需要添加附加的功能而不使用任何额外的空间。由于操作能力和封装的限制，通常会在较大的车辆中采用两个单独的双HVAC模块以实现多区域操作，其中，一个双区域模块安装在防火壁与车辆仪表板之间，而另一个单或双区域HVAC模块安装在后备箱的区域中。

然而，传统的、分离的双HVAC模块的实施是复杂的。例如，双HVAC模块会在主车中需要相当大的封装空间、附加的空气导管、附加的管线和装配件、附加的制冷剂、附加的冷却剂、附加的质量、更高的运行噪声等级、更高的成本和增大的系统复杂度，这通常会转换成增加的质量和保修的问题。这些系统需要附加的能量和较大的支持部件，诸如压缩机、水泵、冷凝器、交流发电机、管线组以及导管。因此，双模块应用导致增大的车辆燃料消耗以及增大的废气排放。所有这些项目会显著地引起整车成本和操作成本。

技术实现要素：

本发明提供了一种用于乘用车的开放式架构的、多区域的供暖、通风和空调(HVAC)模块，该模块具有抗回流控制件，以及一种用于操作抗回流控制件的方法。

根据本发明的第一方面，为用于乘用车的HVAC模块提供了一种装置，该装置包括壳体，该壳体限定进气口、前区出气口和后区出气口；设置在壳体内进气口下游的蒸发器；设置在壳体内蒸发器下游的加热器；限定在壳体内蒸发器与加热器之间的蒸发器下游的冷空气腔室，冷空气腔室具有第一压力；限定在壳体内加热器与壳体的第一内表面之间的加热器下游的热空气腔室，热空气腔室具有定量地小于冷空气腔室的第一压力的第二压力；由壳体的第二内表面和壳体内的内分隔件所限定的冷空气流路径，冷空气流路径从冷空气腔室延伸至由壳体所限定的后区混合腔室，后区混合腔室具有第三压力且与后区出气口流体连通；以及设置在壳体内冷空气腔室与后区混合腔室之间的控制阀，控制阀构造为可控制地将冷空气从冷空气腔室沿冷空气流路径释放至后区混合腔室内，其中，控制阀节流来自冷空气腔室的冷空气，从而调节后区混合腔室的第三压力，使得第三压力保持定量地低于热空气腔室的第二压力。这防止了冷空气流路径中的冷空气流回至热空气腔室内。

后区混合腔室可具有设置在后区混合腔室内的后区混合阀。后区混合阀可构造为选择性地将空气流从冷空气流和热空气腔室引导至后区出气口。

设置在壳体内冷空气腔室与后区混合腔室之间的控制阀可为蝶形阀。

HVAC模块还可包括由壳体所限定并定位在蒸发器下游与冷空气腔室和热空气腔室相邻的前区混合腔室。前区混合腔室可与前区出气口流体连通。

前区混合阀可设置在前区混合腔室中，以选择性地将空气流从冷空气腔室和热空气腔室引导至前区出气口。

该结构可应用于具有不超过一个鼓风机组件的HVAC模块，该鼓风机组件将空气通过壳体从入口移动至前区出气口和/或后区出气口。

根据本发明的另一方面，提供了一种控制冷空气的回流进入开放式架构的HVAC模块中的热空气腔室的方法。HVAC模块具有进气口、进气口下游的蒸发器、蒸发器下游的冷空气腔室、冷空气腔室下游的加热器、加热器下游的热空气腔室、冷空气腔室和热空气腔室下游的后区混合腔室、后区出气口、设置在冷空气腔室与后混合腔室之间的控制阀和设置在后区混合腔室内的混合阀。该方法包括以下步骤：读取冷空气腔室的压力、通过热敏电阻器测量读取冷空气腔室的温度、读取热空气腔室的压力和读取热空气腔室的温度；设置后区出气口的排放空气流量目标值和排放温度目标值；计算抗回流控制阀的阻力；计算混合阀的阻力；确定对应于计算得出的控制阀的阻力的抗回流控制阀的位置；确定对应于计算得出的混合阀的阻力的混合阀的位置，该确定基于预编程的混合阀校正数据；将控制阀移动至确定为与计算得出的控制阀的阻力相对应的控制阀的位置；将混合阀移动至确定为与计算得出的混合阀的阻力相对应的混合阀的位置。

预编程的控制阀的校准数据可为控制阀查找表。

预编程的混合阀的校准数据可为混合阀查找表。

该方法可应用于具有不超过一个鼓风机组件的HVAC模块，该鼓风机组件构造为将空气通过壳体从入口移动至前区出气口和/或后区出气口中的至少一个。

本发明的这些和其它特征与优点将通过阅读以下的说明书变得清晰，说明书与附图一起具体描述本发明的优选和替代的实施例。

附图说明

将参照附图仅以示例的方式进一步描述本发明，附图中：

图1示出了具有抗回流控制阀的开放式架构HVAC模块的剖视图；

图2为流程图，示出了一种通过控制抗回流控制阀和混合阀来防止图1中的HVAC模块中空气的回流的方法；以及

图3为示出由图2中的方法所控制的阀的原理图。

尽管附图代表本发明的实施例，但附图不必然按比例绘制，并且可以放大某些特征以说明和阐释本发明。本文所提出的示例说明本发明在一种形式中的实施例，且这种示例并不被解释为以任何方式限制本发明的范围。

具体实施方式

图1示出了具有本发明的抗回流控制阀290的HVAC模块200的一种形式。在可行的地方，相同部件的附图标记共同地使用在各附图之间。参考图1，本发明属于开放式架构的HVAC模块200。开放式架构HVAC模块意味着热交换器204、206的芯部部分地不被HVAC壳体202的内部隔断壁208、210分隔为专门的区域，且通过每个热交换器204、206的所有或部分空气流可被混合阀224a、224b截断并导向任何一个或多个区域。换言之，每个热交换器204、206的整个芯部(而非每个热交换器204、206的芯部的仅仅一部分)能始终用于调节流向一个或多个区域的空气流。不同于现有技术的HVAC模块，开放式架构的HVAC模块200使得能够对任何一个区域进行超级冷却或超级供暖，或者使得能够将不同温度的空气输送至多个区域。通过将离开蒸发器204或者加热器单元206的芯部的整个质量空气流(空气流的100％)引导至多个区域中的任何一个来实现超级冷却或者超级供暖。

改进的HVAC模块200包括HVAC壳体202，HVAC壳体202容纳蒸发器204和加热器单元206，加热器单元206与蒸发器204隔开并且在蒸发器204下游。冷空气腔室226在HVAC壳体202中限定在蒸发器204与加热器单元206之间，而热空气腔室228限定在加热器单元206与加热器单元206下游的HVAC壳体202的内表面之间。流过蒸发器204的空气流直接离开而进入冷空气腔室226，而流过加热器单元206的空气流直接离开而进入热空气腔室228。该HVAC壳体202限定进气口201和四个出气口230、232、234、236；用于每个温控区域的一个出气口用以将温控空气供给至相应的区域。在图1中，HVAC鼓风单元和其与进气口201的连接位于HVAC壳体202的背侧上，因而未示出。图1同样未示出两个出气口232和236，但会理解到那些出气口232和236直接反映在HVAC模块200的背侧，且分别隐藏在上分隔壁208和下分隔壁210后。两个出气口230、232用于将经调节的空气引导至车辆的前区，两个出气口234、236用于将经调节的空气引导至车辆的后区。

上垂直分隔壁208(或第一分隔壁208)可在第一出气口230与第二出气口232之间部分地从HVAC壳体202的内表面延伸至冷空气腔室226和热空气腔室228中。HVAC壳体202的上部限定了与前区出气口230、232流体连通的前区混合腔室212。类似地，下垂直分隔壁210(或第二分隔壁210)可在第三出气口234与第四出气口236之间部分地从HVAC壳体202的内表面延伸至冷空气腔室226和热空气腔室228中。HVAC壳体的下部限定了与后区出气口234、236流体连通的后区混合腔室216。在图1中，前区出气口230、232与HVAC壳体202的上部相邻，且后区出气口234、236与HVAC壳体202的下部相邻。

应注意到，改进的HVAC模块200不包括水平的分隔壁。还应注意到，垂直的分隔壁208、210(如果包括的话)仅部分地延伸到冷空气腔室226和热空气腔室228中，且并不延伸至或者延伸穿过蒸发器204和加热器单元206。混合腔室212、216中的每个均既与冷空气腔室226又与热空气腔室228流体连通。设置在混合腔室212、216的每个中的混合阀224a、224b构造成选择性地将来自冷空气腔室226和热空气腔室228的空气流的至少一部分转向至其相应的出气口230、232、234、236。将理解到，图1中所示的HVAC模块200的一半直接反映在HVAC模块200的背侧上的上垂直分隔壁208和下垂直分隔壁210后方。因而，在HVAC模块200的两半上都有混合腔室和混合阀。仅需要单个鼓风机(未示出)来引导空气通过改进的HVAC模块200至多个区域。

在前区混合腔室212的下游示出用于将空气输送至挡风玻璃的第一模式阀238、用于将空气输送至仪表盘的第二模式阀240以及用于将空气输送至驾驶员的脚的第三模式阀242。在后区混合腔室216的下游是用于将空气流输送至后排乘客的躯体或脚的模式阀(未示出)。

蒸发器204在HVAC壳体202内与加热器单元206隔开且设置在加热器单元206的上游。冷空气腔室226由蒸发器204与加热器单元206之间的HVAC壳体202的容积限定，而热空气腔室228由加热器单元206与加热器单元206的下游的HVAC壳体202的内表面的一部分之间的HVAC壳体202的容积限定。

冷空气流路径286由壳体202的一部分和壳体内的内分隔件限定。冷空气流路径286从冷空气腔室226延伸至后区混合腔室216。冷空气流路径286为冷空气从冷空气腔室226运动至后区混合腔室216所经由的路径。

如上所述，设置有单个鼓风机组件，以将空气抽送到HVAC模块200中进行调节并运送到各个区域。流向每个区域的空气流的质量流量和速度可通过鼓风机速度和设置在每个区域的排气出口中的空气流控制阀的组合所控制。鼓风机组件可吸入车辆外部的空气流或者来自车辆内的循环空气流。

每个混合腔室的温度混合阀224a、224b可选择性地截断分别来自冷空气腔室226和热空气腔室228的热空气流和冷空气流中的一个或者两者的组合，以将期望的温度提供给各区域。在混合之后，分区特定的气流流量控制通过鼓风机、相应的当前模式阀的位置以及其它分区模式阀238、240、242的平衡的协同作用来实现。该开放式架构的益处在于，蒸发器204和加热器单元206的总能力可用于为各区域中的任何一个调节空气，以及将可变的空气流提供给各区域。另一益处在于，通过选择性地打开和关闭气流控制阀，流过热交换器204、206的总空气流可被引导至各区域中的任何一个。模式阀238、240、242可协同作用以将区域中的100％的空气流引导至除霜口、乘客口或者地面出口中的一个。

冷空气腔室226具有压力P_ev和温度T_c。热空气腔室228具有压力P_htr和温度T_h。后区混合腔室具有压力P_mix。为了本发明的目的，后区出气口234具有目标排放空气流量Q_tot和目标排放温度T_mix。作为总体规则，由于穿过加热器206所导致的附加阻力，冷空气腔室226的压力P_ev总是定量地大于热空气腔室228的压力P_htr。

已发现的是，在某些限制的情况下，来自冷空气流路径286的冷空气到达后区混合腔室216并流回热空气腔室228内。这发生在当后区混合阀224b位于将几乎所有冷空气提供至后区出气口234的位置、前区混合阀224a位于将几乎所有热空气提供至前区出气口的位置，并且前区需要高的空气流量时。后区混合阀224b的该位置对冷空气流几乎不产生阻力，从而增加了后区混合腔室216内的压力P_mix，同时前区混合阀224a的该位置和所需的高流量引起压力P_htr的减少。当P_mix增加得更靠近P_ev且P_htr减少时，P_mix定量地大于P_htr。在该情况中，来自冷空气流路径286的冷空气到达后区混合腔室216并接着流回至热空气腔室228。该冷空气与热空气在热空气腔室228内混合，从而冷却热空气腔室228内的空气并减少流至前区出气口的空气的温度。

因而，期望的是减少或防止从冷空气路径286至热空气腔室228的回流。使用在冷空气腔室226与后区混合腔室216之间的抗回流控制阀290来控制冷空气从冷空气腔室226的释放，这就通过造成冷空气流路径286内的压降调节了HVAC模块的压力。因而，抗回流控制阀290有助于保持后区混合腔室的压力P_mix，使得其定量地小于热空气腔室228的压力P_htr。抗回流控制阀290通过节流来自冷空气腔室226的空气，增加了对沿冷空气流路径286的冷空气的阻力，从而减少了当冷空气向后区混合腔室216移动时冷空气的压力。抗回流控制阀290可独立于热空气腔室与后区混合腔室的流体连通而作用，使得控制阀290不影响热空气腔室228与后区混合腔室216之间的流体连通的截面。当混合阀可由HVAC系统本身控制时，可能可行的是用两个分开操作的阀来取代后区混合阀224b，其中，一个阀专用于冷空气流路径286，且另一个阀专用于离开热空气腔室228的热空气。然而，图1中所示的除后区混合阀224b外的分开的抗回流控制阀290适应于所有布置，包括后区混合阀224b被外部控制且不可被HVAC控制器访问的那些布置。

图2示出了用于操作如图1中所示的开放式架构HVAC模块的抗回流控制阀290的方法300。该方法开始于在步骤310中读取冷空气腔室的压力P_ev、冷空气腔室的温度T_c、热空气腔室的压力P_htr、冷空气腔室的温度T_h和后区混合腔室的压力P_mix。接着，在步骤320中设置后区出气口的排放空气流量目标值Q_tot和排放温度目标值T_mix。该方法接着在步骤330中计算抗回流控制阀的阻力R_c，并在步骤340中计算后区混合阀340的阻力R_h。可通过等式1计算抗回流控制阀的阻力R_c，而通过等式2计算后区混合阀的阻力R_h。该方法可包含在开放式架构的多区域HVAC系统内，诸如美国专利申请第14/801,862号中描述的控制系统和方法，该文件以参见的方式全部纳入本文。

等式1：

等式2：

替代地，控制阀的阻力R_c和后区混合阀的阻力R_h可在预校准的表中从初始的控制阀位置和混合阀位置开始查找。排放空气流量Q_tot和排放温度T_mix可分别根据等式3和等式4计算，且可与目标温度和流量比较，以通过比例－积分－微分(PID)控制方法来重新定位阀。

等式3：

等式4：

该方法接着在步骤350中确定对应于计算得出的控制阀R_c的阻力的控制阀的位置POS_c。该确定基于参考预编程的控制阀校准数据。预编程的控制阀的校准数据可呈查找表的形式，如表1所示。

表1。

该方法接着在步骤360中确定对应于计算得出的后区混合阀R_h的阻力的控制阀的位置POS_h。该确定基于参考预编程的控制阀校准数据。预编程的后区混合阀的校准数据可呈查找表的形式，如表2所示。

表2。

在步骤370中，该方法包括将控制阀移动至控制阀的位置POS_c，该位置POS_c对应于计算得出的控制阀的阻力R_c确定。步骤380包括将后区混合阀移动至后区混合阀的位置POS_h，该位置POS_h对应于计算得出的混合阀的阻力R_h确定。

图3为示出由图2中的方法所控制的阀的原理图。基于冷空气腔室的压力P_ev和冷空气腔室的温度T_c，抗回流控制阀290定位成产生冷空气流Q_c。后区混合阀224b基于热空气腔室的压力P_htr和热空气腔室的温度T_h定位，并产生热空气流Q_h。冷空气流Q_c和热空气流Q_h在后混合腔室216中混合，从而产生后区混合腔室压力P_mix、排放空气流量Q_tot和排放温度T_mix。

应理解，已参照具体的实施例和变型描述了本发明，以提供前述的特征和优点，且对于本领域技术人员显而易见的是易于对实施例进行修改。