用于货车驾驶室的加热和冷却系统和方法与流程

本申请(代理人参照编号为No.P218435pct)要求2014年3月10日提交的序列号为No.61/950,719的美国临时申请的权益，其内容通过援引并入本文。

技术领域

本申请涉及用于加热和冷却交通工具内部的系统和方法，并且特别地，涉及使用热泵的交通工具加热和冷却系统和方法。

背景技术：

公用电力通常可用作从一个或多个集中源通过配电网络分配至终端用户的交流电力信号。然而，公用电力对于某些结构来说不可用。例如，可移动结构(比如交通工具)在运动时无法获得公用电力，并且仅可以在停车时困难地连接至配电网络。类似地，不在公用配电网络附近的偏远结构(比如小屋和军事设施)通常不能使用公用电力来实际供电。

在公用电力不可用时，经常采用包含电池的直流电力系统来提供电力。例如，货车和船通常采用包含电池阵列的直流电力系统，以将电力至少提供至辅助交通工具电子系统，比如通信系统、导航系统、点火系统、加热和冷却系统等。使用交流主电源(比如太阳能面板或发电机)进行操作的航运集装箱和偏远小屋也可以具有包含电池或电池阵列的直流电力系统，以便在主电源不可用时操作电子系统。因此，大部分现代交通工具和偏远结构使用电池电源足以至少在有限的时期内操作电子系统，比如辅助交通工具电子系统。

交通工具或偏远结构所使用的电池系统的容量通常受到比如大小、重量和成本这些参数的限制。例如，具有内燃机的交通工具可以包括相对较小的电池，以便在发动机不工作时使用；对于具有内燃机的交通工具来说，大的电池阵列是不实际的，这是因为电池的大小占据相当大的空间，并且在交通工具通过发动机移动时电池的重量降低了交通工具的效率。所有的电动交通工具具有明显更大的电池容量，但是该电池容量通常首要考虑用于移动交通工具这一主要目的，因此能够用于交通工具的辅助电子系统的电池容量的量是受限的。偏远结构所采用的电池系统必须能够在交流电源不可用时提供电力，但是比如成本、大小和重量的因素降低了这种系统的总体储电容量。

加热和冷却系统具有显著的能量需求。交通工具(比如货车或船)在需要加热或冷却时通常依赖于内燃机的可用性。在当交通工具停车或船停泊超过几分钟而需要加热或冷却时，内燃机将仅以空转模式运行，以将动力提供至加热和冷却系统。发动机空转是低效的并且产生不必要的污染，而且正在制定反空转规定以避免使用空转的发动机，特别是在城市、货车停车场和港口这样的拥挤环境中使用空转的发动机。对于比如小屋或航运集装箱这样的偏远结构来说，加热和冷却系统可以主要使用电池电力。典型地，使用替代的或次要的加热或冷却源(比如木头燃烧炉、风扇等)来替代直流供电的加热和冷却系统。

因此，需要一种使用电池电力的加热和冷却系统，所述加热和冷却系统具有提高的效率以优化电池电力的使用。

技术实现要素：

本发明可以实施为一种交通工具加热和冷却系统，包括：内部系统，所述内部系统包括蒸发器；压缩机系统，所述压缩机系统包括压缩机和冷凝器；辅助加热系统；主工作流体；和至少一个阀组件。主工作流体构造成在内部换热器和压缩机之间流动。所述至少一个阀组件构造成在以下模式中操作：冷却模式，在所述冷却模式中，所述主工作流体将热量从内部系统传递至压缩机系统；标准加热模式，在所述标准加热模式中，主工作流体将热量从压缩机系统传递至内部系统，并且辅助加热系统不将热量传递至主工作流体；和增强加热模式，在所述增强加热模式中，辅助加热系统将热量传递至主工作流体。

本发明还可以实施为一种包括以下步骤的加热和冷却交通工具的方法。提供包括蒸发器的内部系统和包括压缩机和冷凝器的压缩机系统。主工作流体被布置成在内部换热器和压缩机之间流动。在冷却模式中，主工作流体将热量从内部系统传递至压缩机系统。在标准加热模式中，主工作流体将热量从压缩机系统传递至内部系统，并且辅助加热系统不将热量传递至主工作流体。在增强加热模式中，辅助加热系统构造成将热量传递至主工作流体。

本发明还可以实施为一种交通工具加热和冷却系统，包括具有蒸发器的内部系统、压缩机系统、辅助加热系统、第一主线路、和第二主线路。

压缩机布置成引起主工作流体流动通过冷凝器。第一主线路构造成允许主工作流体从蒸发器流动至压缩机。第二主线路构造成允许主工作流体从冷凝器流动至蒸发器。至少一个阀组件构造成在以下模式中操作：冷却模式，在所述冷却模式中，主工作流体将热量从内部系统传递至压缩机系统；标准加热模式，在所述标准加热模式中，主工作流体将热量从压缩机系统传递至内部系统，并且辅助加热系统不将热量传递至主工作流体；和增强加热模式，在所述增强加热模式中，辅助加热系统将热量传递至主工作流体。

附图说明

图1是本发明的第一示例的交通工具加热和冷却系统的示意图；

图1A是示出了将第一示例的加热和冷却系统的主要部分互连至电池的框图；

图2是本发明的第二示例的交通工具加热和冷却系统的示意图；

图3A是处于第一模式中的本发明的第三示例的交通工具加热和冷却系统的示意图；

图3B是处于第二模式中的本发明的第三示例的交通工具加热和冷却系统的示意图；

图4A是处于第一模式中的本发明的第四示例的交通工具加热和冷却系统的示意图；

图4B是处于第二模式中的本发明的第四示例的交通工具加热和冷却系统的示意图。

具体实施方式

本发明能够以数个不同示例的构型来实施，并且将在下文分别描述根据本发明的原理构造并实施的交通工具加热和冷却系统的几个示例。

I、第一示例的加热和冷却系统

首先参照附图的图1，图1描绘的是本发明的第一示例的交通工具加热和冷却系统20。第一示例的交通工具加热和冷却系统20能够以冷却模式和加热模式操作。在冷却模式中，热量从第一示例的加热系统20安装于其上的交通工具(未示出)的内部A传递至外部B。在加热模式中，热量从第一示例的加热系统20安装于其上的交通工具的外部B传递至内部A。

在本申请中，术语“交通工具”指的是一种可移动结构，该可移动结构是在移动时或者在静止时没有被连接至的公用电力并且具有以交通工具直流(DC)电源工作的电子系统的结构。交通工具的示例包括货车、汽车、航运集装箱和船。本发明在应用至交通工具时尤为重要，但是也可以应用至在至少一部分时间内不通有公用电力并且设计成主要在DC电源上操作的固定或可动的任何结构。在本文，术语“偏远结构”将用于指此类结构。

第一示例的交通工具加热和冷却系统20包括如图1所示的压缩机系统22、内部系统24、和辅助系统26，并且如图1A总体所示的那样被连接至安装在交通工具内的电池28。压缩机系统22和内部系统24通过第一主线30和第二主线32连接在一起。第一主线30和第二主线32允许主工作流体在压缩机系统22和内部系统24之间循环。压缩机系统22和辅助加热系统26通过辅助换热器34连接在一起，所述辅助换热器34允许由辅助加热系统26产生的热量被传递至主工作流体。

压缩机系统22包括压缩机40、压缩机侧换热器或冷凝器42、压缩机热膨胀阀44、和蓄能器46。示例性冷凝器42包括多个换热器部分42a和42b。换向阀50和压缩机止回阀52允许第一示例的交通工具加热和冷却系统20以冷却模式和加热模式操作。压缩机系统22还包括压缩机分配器60、压缩机风扇62、风扇马达64、压缩机流体温度传感器66、和马达开关68。压缩机分配器60允许流体平行地流动通过换热器部分42a和42b。压缩机风扇62、风扇马达64、温度传感器66、马达开关68根据在压缩机系统22和内部系统24之间流动的主工作流体的温度来操作风扇62。

内部系统24包括内部换热器或蒸发器70、内部热膨胀阀72、和干燥器74。示例性内部系统24还包括内部鼓风机80、内部分配器82、和内部止回阀84。示例性蒸发器70包括多个内部换热器部分70a和70b。内部鼓风机80将热量从蒸发器70带到内部A中。与换向阀50和压缩机止回阀52结合，内部分配器82和内部止回阀84允许第一示例的交通工具加热和冷却系统20以冷却模式和加热模式操作。内部分配器82允许流体平行地流动通过内部换热器部分70a和70b。

在冷却模式中，压缩机系统22和内部系统24以像在Wilkinson的美国专利No.6,615,602中大体描述的传统方式操作，该专利通过援引并入本文。因此，在这里将不再详细描述第一示例的加热和冷却系统20以冷却模式的操作。

在加热模式中，第一示例的加热和冷却系统20可以以标准加热模式和增强加热模式两种模式操作。在标准加热模式中，压缩机系统22和内部系统24以像在专利6,615,602中大体描述的传统方式操作。在增强加热模式中，正如现在将详细描述的，通过辅助加热系统26来增强由压缩机系统22产生并被传递至内部系统24的热量。

特别地，示例性辅助加热系统26包括燃料箱90、燃料控制阀92、锅炉94、辅助燃料泵96、和辅助流体线路98。辅助流体线路98包括锅炉区段98a和换热器区段98b。锅炉区段98a位于锅炉94内，换热器区段98b位于辅助换热器34内。

燃料箱90可以是第一示例的加热和冷却系统20安装于其上的交通工具的主燃料箱(例如，柴油、汽油)，或者可以是包含相同或另一类燃料(例如，丙烷)的分离的、辅助燃料箱。燃料控制阀92控制从燃料箱90至锅炉94的燃料流。锅炉94燃烧燃料以产生热量。辅助燃料泵96使辅助流体(例如水)循环通过辅助流体线路98的锅炉区段98a和换热器区段98b。来自锅炉94的热量被传递至锅炉区段98a中的辅助流体。来自辅助流体的热量被传递至辅助换热器34中的主流体。因此，辅助加热系统26可以用于在环境和交通工具操作条件不允许压缩机系统22从流经压缩机换热器42的周围空气中充足地抽取足够的热量时将热量传递至主流体。

II.第二示例的加热和冷却系统

现在参照附图的图2，图2描绘的是本发明的第二示例的交通工具加热和冷却系统120。第二示例的交通工具加热和冷却系统120能够以冷却模式和加热模式操作。在冷却模式中，热量从第二示例的加热系统120安装于其上的交通工具(未示出)的内部A传递至外部B。在加热模式中，热量从第二示例的加热系统120安装于其上的交通工具的外部B传递至内部A。像参照图1在上文描述的第一示例的加热和冷却系统20那样，至少一部分由交通工具系统的电池(未示出)消耗的电力与第二示例的加热和冷却系统120相关。

第二示例的交通工具加热和冷却系统120包括压缩机系统122、内部系统124、和辅助系统126。压缩机系统122和内部系统124通过第一主线130和第二主线132连接在一起。第一主线130和第二主线132允许主工作流体在压缩机系统122和内部系统124之间循环。压缩机系统122和辅助加热系统126通过辅助换热器134连接在一起，所述辅助换热器134允许由辅助加热系统126产生的热量被传递至主工作流体。

压缩机系统122包括压缩机140、压缩机换热器142、压缩机热膨胀阀144、和蓄能器146。示例性压缩机换热器142包括多个换热器部分142a和142b。换向阀150和压缩机止回阀152允许第二示例的交通工具加热和冷却系统120以冷却模式和加热模式操作。压缩机系统122还包括压缩机分配器160、压缩机风扇162、风扇马达164、压缩机流体温度传感器166、和马达开关168。压缩机分配器160允许流体平行地流动通过换热器部分142a和142b。压缩机风扇162、风扇马达164、温度传感器166、马达开关168根据在压缩机系统122和内部系统124之间流动的主工作流体的温度来操作风扇162。

内部系统124包括内部换热器170、内部热膨胀阀172、和干燥器174。示例性内部系统124还包括内部鼓风机180、内部分配器182、和内部止回阀184。示例性内部换热器170包括多个内部换热器部分170a和170b。内部鼓风机180将热量从内部换热器170带到内部A中。与换向阀150和压缩机止回阀152结合，内部分配器182和内部止回阀184允许第二示例的交通工具加热和冷却系统120以冷却模式和加热模式操作。内部分配器182允许流体平行地流动通过内部换热器部分170a和170b。

在冷却模式中，压缩机系统122和内部系统124以像在专利6,615,602中大体描述的传统方式操作，该专利通过援引并入本文。因此，在这里将不再详细描述第二示例的加热和冷却系统120以冷却模式的操作。

在加热模式中，第二示例的加热和冷却系统120可以以标准加热模式和增强加热模式两种模式操作。在标准加热模式中，压缩机系统122和内部系统124以像在专利6,615,602中大体描述的传统方式操作。在增强加热模式中，正如现在将详细描述的，通过辅助加热系统126来增强由压缩机系统122产生并被传递至内部系统124的热量。

特别地，示例性辅助加热系统126包括电池190、电压控制器192、和加热元件194。加热元件194布置在辅助换热器134内。电池190可以是第二示例的加热和冷却系统120安装于其上的交通工具的主电池(例如，柴油、汽油)或者可以是专门用于与辅助加热系统126一起使用的分离的、辅助电池。

电压控制器192控制从电池190至加热元件194的电流。加热元件194是将电转化成热量的电阻元件。来自加热元件194的热量被传递至辅助换热器134中的主流体。因此，辅助加热系统126可以被用于在环境和交通工具操作条件不允许压缩机系统122从流经压缩机换热器142的周围空气中充足地抽取足够的热量时将热量传递至主流体。

III.第三示例的加热和冷却系统

现在参照附图的图3A和3B，图3A和3B描绘的是本发明的第三示例的交通工具加热和冷却系统220。第三示例的交通工具加热和冷却系统220能够以冷却模式和加热模式操作。在冷却模式中，热量从第三示例的加热系统220安装于其上的交通工具(未示出)的内部A传递至外部B。在加热模式中，热量从第三示例的加热系统220安装于其上的交通工具的外部B传递至内部A。像参照图1A在上文描述的第一示例的加热和冷却系统20那样，至少一部分由交通工具系统的电池(未示出)消耗的电力与第三示例的加热和冷却系统220相关。

第三示例的交通工具加热和冷却系统220包括压缩机系统222、内部系统224、和辅助系统226。压缩机系统222和内部系统224通过第一主线230和第二主线232连接在一起。第一主线230和第二主线232允许主工作流体在压缩机系统222和内部系统224之间循环。压缩机系统222和辅助加热系统226通过辅助换热器234连接在一起，所述辅助换热器234允许由辅助加热系统226产生的热量被传递至主工作流体。控制阀236和止回阀238允许第三示例的加热和冷却系统220处于主加热模式或辅助加热模式中，如将在下文进一步详细描述的那样。

压缩机系统222包括压缩机240、压缩机换热器242、压缩机热膨胀阀244、和蓄能器246。示例性压缩机换热器242包括多个换热器部分242a和242b。换向阀250和压缩机止回阀252允许第三示例的交通工具加热和冷却系统220以冷却模式和加热模式操作。压缩机系统222还包括压缩机分配器260、压缩机风扇262、风扇马达264、压缩机流体温度传感器266、和马达开关268。压缩机分配器260允许流体平行地流动通过换热器部分242a和242b。压缩机风扇262、风扇马达264、温度传感器266、马达开关268根据在压缩机系统222和内部系统224之间流动的主工作流体的温度来操作风扇262。

内部系统224包括内部换热器270、内部热膨胀阀272、和干燥器274。示例性内部系统224还包括内部鼓风机280、内部分配器282、和内部止回阀284。示例性内部换热器270包括多个内部换热器部分270a和270b。内部鼓风机280将热量从内部换热器270带到内部A中。与换向阀250和压缩机止回阀252结合，内部分配器282和内部止回阀284允许第三示例的交通工具加热和冷却系统220以冷却模式和加热模式操作。内部分配器282允许流体平行地流动通过内部换热器部分270a和270b。

在冷却模式中，压缩机系统222和内部系统224以像在专利6,615,602中大体描述的传统方式操作。因此，在这里将不再详细描述第三示例的加热和冷却系统220以冷却模式的操作。

在加热模式中，第三示例的加热和冷却系统220可以以标准加热模式和辅助加热模式两种模式操作。在标准加热模式中，压缩机系统222和内部系统224以像在专利6,615,602中大体描述的传统方式操作。在增强加热模式中，正如现在将详细描述的，使用辅助加热系统226替代压缩机系统222来将热量传递至内部系统224。

特别地，示例性辅助加热系统226包括燃料箱290、燃料控制阀292、锅炉294、辅助燃料泵296、和辅助流体线路298。辅助流体线路298包括锅炉区段298a和换热器区段298b。锅炉区段298a位于锅炉294内，换热器区段298b位于辅助换热器234内。

燃料箱290可以是第三示例的加热和冷却系统220安装于其上的交通工具的主燃料箱(例如，柴油、汽油)或者可以是包含相同或另一类燃料(例如，丙烷)的分离的、辅助燃料箱。燃料控制阀292控制从燃料箱290至锅炉294的燃料流。锅炉294燃烧燃料以产生热量。

辅助燃料泵296使辅助流体(例如水)循环通过辅助流体线路298的燃烧器区段298a和换热器区段298b。来自锅炉294的热量被传递至锅炉区段298a中的辅助流体。来自辅助流体的热量被传递至辅助换热器234中的主流体。控制阀236和止回阀238允许辅助加热系统226布置成与压缩机系统222平行并且因此可以替代压缩机系统222使用。因此，辅助加热系统226可以用于在环境和交通工具操作条件不允许压缩机系统222从流经压缩机换热器242的周围空气中充足地抽取足够的热量时将热量传递至主流体。

IV.第四示例的加热和冷却系统

现在参照附图的图4A和4B，图4A和4B描绘的是本发明的第四示例的交通工具加热和冷却系统320。第四示例的交通工具加热和冷却系统320能够以冷却模式和加热模式操作。在冷却模式中，热量从第四示例的加热系统320安装于其上的交通工具(未示出)的内部A传递至外部B。在加热模式中，热量从第四示例的加热系统320安装于其上的交通工具的外部B传递至内部A。像参照图1A在上文描述的第一示例的加热和冷却系统20那样，至少一部分由交通工具系统的电池(未示出)消耗的电力与第四示例的加热和冷却系统320相关。

第四示例的交通工具加热和冷却系统320包括压缩机系统322、内部系统324、和辅助系统326。压缩机系统322和内部系统324通过第一主线330和第二主线332连接在一起。第一主线330和第二主线332允许主工作流体在压缩机系统322和内部系统324之间循环。压缩机系统322和辅助加热系统326通过辅助换热器334连接在一起，所述辅助换热器334允许由辅助加热系统326产生的热量被传递至主工作流体。控制阀336和止回阀338允许第四示例的加热和冷却系统320处于主加热模式或辅助加热模式中，如将在下文进一步详细描述的那样。

压缩机系统322包括压缩机340、压缩机换热器342、压缩机热膨胀阀344、和蓄能器346。示例性压缩机换热器342包括多个换热器部分342a和342b。换向阀350和压缩机止回阀352允许第四示例的交通工具加热和冷却系统320以冷却模式和加热模式操作。压缩机系统322还包括压缩机分配器360、压缩机风扇362、风扇马达364、压缩机流体温度传感器366、和马达开关368。压缩机分配器360允许流体平行地流动通过换热器部分342a和342b。压缩机风扇362、风扇马达364、温度传感器366、马达开关368根据在压缩机系统322和内部系统324之间流动的主工作流体的温度来操作风扇362。

内部系统324包括内部换热器370、内部热膨胀阀372、和干燥器374。示例性内部系统324还包括内部鼓风机380、内部分配器382、和内部止回阀384。示例性内部换热器370包括多个内部换热器部分370a和370b。内部鼓风机380将热量从内部换热器370带到内部A中。与换向阀350和压缩机止回阀352结合，内部分配器382和内部止回阀384允许第四示例的交通工具加热和冷却系统320以冷却模式和加热模式操作。内部分配器382允许流体平行地流动通过内部换热器部分370a和370b。

在冷却模式中，压缩机系统322和内部系统324以像在专利6,615,602中大体描述的传统方式操作，该专利通过援引并入本文。因此，在这里将不再详细描述第四示例的加热和冷却系统320以冷却模式的操作。

在加热模式中，第四示例的加热和冷却系统320可以以标准加热模式和辅助加热模式两种模式操作。在标准加热模式中，压缩机系统322和内部系统324以像在专利6,615,602中大体描述的传统方式操作。在增强加热模式中，正如现在将详细描述的，使用辅助加热系统326替代压缩机系统322来将热量传递至内部系统324。

特别地，示例性辅助加热系统326包括电池390、电压控制器392、和加热元件394。加热元件394布置在辅助换热器334内。

电池390可以是第四示例的加热和冷却系统320安装于其上的交通工具的主电池或者可以是专门用于与辅助加热系统326一起使用的分离的、辅助电池。

电压控制器392控制从电池390至加热元件394的电流。加热元件394是将电转化成热量的电阻元件。来自加热元件394的热量被传递至辅助换热器334中的主流体。控制阀336和止回阀338允许辅助加热系统326被布置成与压缩机系统322平行，因此，可以使用辅助加热系统来替代压缩机系统322。因此，辅助加热系统326可以被用于在环境和交通工具操作条件不允许压缩机系统322从流经压缩机换热器342的周围空气中充足地抽取足够的热量时将热量传递至主流体。