热交换系统、HVAC系统和车辆的制作方法

本发明涉及一种热交换系统、暖通空调(hvac)系统以及包括该热交换系统的车辆。导致该申请的项目已经获得欧盟地平线2020研究和创新计划的资助，拨款协议号为848620。

背景技术：

1、在几种类型的热交换系统中，气流进入热交换系统的入口并在热交换器的出口处离开热交换系统。气流在入口处具有与在出口处不同的温度。热交换器布置在热交换系统中。在从入口到出口的流动路径中，气流通过热交换器。热交换器与气流交换热量，从而加热或冷却气流。因此，热交换器改变气流的温度。然后，气流在出口处离开热交换器。

2、已知的热交换系统例如用于车辆中。来自车辆外部的空气被吸入到热交换系统的入口中。热交换器将热量从车辆的发动机传递到穿过热交换器的气流。结果，空气被加热。加热的空气离开热交换系统的出口以进入舱室。这样，加热的空气加热舱室。

3、热交换器具有用于接收气流的接收区域。在接收区域，热交换器与气流接触以在热交换器与气流之间传递热量。为了使热交换器与气流之间的热交换最大化，接收区域尽可能大。

4、由于体积限制，入口可以具有比接收区域的横截面小的横截面。为了将气流分布遍及接收区域，入口和热交换器之间的管道的横截面沿着流动方向增大。在美国专利第us2704205号中公开了一种已知的热交换系统，其在入口和热交换器之间的管道中使用截头锥形构件。锥形构件在入口附近具有小的横截面并且在热交换器附近具有大的横截面。气流流过锥形构件流到热交换器的接收区域。

5、已知的热交换系统的问题在于，热量在气流和热交换器之间不能有效地传递。

6、在美国专利4712611中公开了一种已知的热交换系统，公开了具有鼓风机和热交换器的通风单元。扩散器定位在来自鼓风机的空气流中。扩散器扩散空气流，使得空气流基本上覆盖热交换器。

7、在专利申请us2009/0239463a1中公开了另一种已知的热交换系统，其公开了一种形成在用于暖通空调系统的控制模块中的扩散器。扩散器包括空气分布设备，用于最小化通过扩散器的流体流的分离。

8、在专利申请fr3016027a1中公开了另一种已知的热交换系统，其公开了包括气体管的热交换器。气体管具有发散元件，该发散元件具有气体入口和气体出口。热交换器元件布置在发散元件的气体出口处。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种具有改进的效率的热交换系统，或者至少是现有技术的替代方案。

2、该目的通过一种热交换系统来实现，该热交换系统包括热交换器、管道和发散元件。管道适于将气流引导到热交换器。发散元件布置在管道中。发散元件适于将气流分成沿着第一流动路径的第一气流部分和沿着第二流动路径的第二气流部分。发散元件适于发散第一气流部分和第二气流部分中的至少一个。第二流动路径包围第一流动路径。

3、通过将气流分成第一气流部分和第二气流部分，然后通过发散第一气流部分和第二气流部分中的至少一个，发散元件能够将气流分布遍及管道中的横截面。气流分布遍及横向平面，该横向平面是垂直于气流的流动方向的平面。例如，横向平面由管道的高度和宽度限定。气流沿着管道的高度和/或沿着管道的宽度分布。通过将气流分布在横向平面中，气流的流动轮廓变得更均匀，即减小了沿着气流的流动轮廓的流速差异。通过将气流分布在横向方向上，最后气流更均匀地被分散遍及热交换器的接收区域。在一示例中，气流在横向平面的中心具有高速，并且在横向平面的边缘处具有低速。当使用已知的热交换系统时，热交换器将在接收区域的中心处接收大部分空气，而在接收区域的侧边处仅接收很少的空气。在本发明中，气流到达发散元件，在发散元件处气流被分成第一气流和第二气流。在该示例中，发散元件将大部分空气引导到第二气流。结果，管道边缘附近的气流的流量增加，而管道中心处的气流的流量降低。气流的流量是每单位时间通过的空气的体积，例如升每秒。通过进一步发散第一气流部分和/或第二气流部分，最后气流沿着横向平面基本上更均匀地被分散。在另一示例中，入口和发散元件之间的管道中的突转弯管导致当气流到达发散元件时，气流在管道的边缘附近具有高速并且在管道的中心处具有低速。发散元件将气流分成沿着第一流动路径的第一气流部分和沿着第二流动路径的第二气流部分。发散元件在管道的中心形成大开口以提供第一流动路径。发散元件在管道的边缘附近形成小开口以提供第二流动路径。由于管道中心的大开口和管道边缘附近的小开口，中心附近的气流的流速增加，而边缘附近的气流的流速减小。通过进一步发散第一气流部分和/或第二气流部分，最后气流基本上被更均匀地分散遍及热交换器的接收区域。通过将最后气流更均匀地分散遍及热交换器的接收区域，热交换器能够与最后气流有效地交换热量。

4、热交换器例如是加热单元。加热单元适于将热量从加热单元传递到气流以增大气流的温度。加热单元例如包括被布置为提供通过加热单元的液体流和/或气体流的导管。导管例如联接到适于加热导管中的液体和/或气体的锅炉。导管例如联接到发动机，如内燃机。在发动机的操作使用期间产生的热量经由液体和/或气体通过导管传递到加热单元。加热单元例如是空调单元的冷凝器。热交换器例如是冷却单元。冷却单元适于将热量从气流传递到冷却单元以降低气流的温度。冷却单元例如包括布置为提供通过冷却单元的液体流和/或气体流的导管。导管例如联接到加热装置，该加热装置适于将热量从导管中的液体和/或气体传递出去以加热装置或空间。在该示例中，来自气流的热量用于加热装置或空间。冷却单元例如是空调单元的蒸发器。

5、管道是被布置为将气流引导到热交换器的中空结构。例如，管道的一端是入口或连接到入口。例如，管道的另一端是出口或连接到出口。在另一示例中，管道连接到其他管道。在一示例中，管道的一端布置在热交换器处，因此热交换器邻近管道布置。在另一示例中，管道延伸超过热交换器，因此热交换器至少部分地布置在管道内。管道例如是具有圆形或矩形横截面的管或管子。管道例如是直管道或具有一个或多个弯管的管道。这种弯管可以是适合于气流流过的任何类型的弯管，例如成角度的弯管、偏置弯管、u形弯管、环形弯管和伸缩u形弯管。管道可以具有小横截面的部分和大横截面的部分。

6、发散元件是布置在管道中的本体。发散元件适于通过将第一气流部分和第二气流部分彼此分离而将气流分成第一气流部分和第二气流部分。发散元件通过在管道中提供局部阻挡气流的局部阻塞件而将气流分成第一气流部分和第二气流部分。通过局部阻挡气流，局部阻塞件迫使气流的一部分在阻塞件的一侧周围流动以形成第一气流部分，并且迫使气流的另一部分在阻塞件的另一侧周围流动以形成第二气流部分。例如，发散元件具有管状本体，其中第一流动路径形成穿过管状本体，并且其中第二流动路径沿着管状本体的外表面形成。在另一示例中，发散元件包括布置在管道中的多个分开的本体，其中各本体被布置为将气流分成第一气流部分和第二气流部分。多个分开的本体例如单独地附接到管道和/或附接到热交换器。在另一示例中，发散元件包括框架，其中多个分开的本体附接到框架。框架附接到管道。

7、发散元件适于发散第一气流部分、第二气流部分或第一气流部分和第二气流部分两者。第一气流部分通过例如沿着第一流动路径增加第一气流部分沿着流动方向的横截面的尺寸而发散。横截面的尺寸例如是横截面的表面积。横截面的尺寸例如是第一气流部分的横截面的直径、高度或宽度。第二气流部分通过例如沿着第二流动路径增加第二气流部分沿着流动方向的横截面的尺寸而发散。横截面的尺寸例如是横截面的表面积。横截面的尺寸例如是横截面的直径、高度或宽度。例如，因为第二气流路径包围第一流动路径，所以第二气流部分如下发散。在发散元件的开始处，第一气流路径具有第一横截面。第二气流路径具有包围第一横截面的第二横截面。在更下游，第二横截面通过朝向第一横截面扩展而增大。结果，第一横截面减小。在该示例中，第二横截面的外部尺寸可以保持相同。第二气流部分由于第二横截面朝向第一横截面扩展而发散。

8、发散元件包括例如适于发散第一气流和第二气流中的至少一个的一个或多个成角度的表面。成角度的表面与气流的流动方向具有0-90°之间的角度，例如30°或45°或60°。成角度的表面例如是直表面或弯曲表面，诸如凸表面或凹表面。成角度的表面例如是圆锥形或棱锥形的。

9、第二流动路径完全或部分地包围第一流动路径。在第二流动路径完全包围第一流动路径的情况下，第一流动路径在横向平面中被第二流动路径完全包围。在这种情况下，第二流动路径在横向平面中完全在第一流动路径周围位于管道的壁与第一流动路径之间。在第二流动路径部分地包围第一流动路径的情况下，第二流动路径沿着横向平面在第一流动路径的圆周的一部分处位于管道的壁与第一流动路径之间，而第二流动路径在横向平面中在第一流动路径的圆周的另一部分处不存在于管道的壁与第一流动路径之间。在一示例中，第二流动路径通过在第一流动路径的上方和下方而不是在第一流动路径的左侧和右侧包围第一流动路径来部分地包围第一流动路径。在另一示例中，第二流动路径通过在第一流动路径的左侧和右侧而不是在第一流动路径的上方和下方包围第一流动路径来部分地包围第一流动路径。表述左侧、右侧、上方和下方是在横向平面中。

10、通过将气流分成第一气流部分和第二气流部分，然后通过发散第一气流部分和/或第二气流部分，最后气流比在已知的热交换系统中被更多地分散遍及横向平面。因此，当最后气流接触热交换器的接收区域时，气流被更均匀地分散遍及接收区域，从而形成高效的热交换。

11、在一实施例中，热交换系统包括用于产生气流的风扇。发散元件布置在风扇和热交换器之间。

12、根据该实施例，风扇被提供以推动空气以产生气流。风扇是具有能够产生气流的转子的装置。转子例如被提供有叶片。在另一示例中，风扇是用于泵送气流的离心泵。离心泵具有转子，该转子也称为叶轮。在又一示例中，风扇是用于泵送气流的轴流泵。在一示例中，风扇是横流风扇，该横流风扇有时被称为切向风扇或管状风扇。气流横向移动穿过横流风扇的转子。

13、当风扇产生气流时，通常产生空气射流，特别是当风扇以高速运行时。在横向平面中，射流中心的空气具有高速，而在射流边缘的空气具有低速。因此，射流不是沿着横向平面均匀分散的气流。通过在风扇和热交换器之间提供发散元件，由风扇产生的气流在气流到达热交换器时变得更均匀。这允许大量的空气被均匀地分散遍及热交换器的同时风扇以高速运行以移位大量空气。这提供了大量热量的高效传递。

14、在一实施例中，热交换系统包括多个发散元件。风扇包括多个出口以提供多个气流。多个发散元件中的每一个被布置为分别接收多个气流中的一个。

15、根据该实施例，风扇具有多个出口，并且推动空气通过出口中的每一个。结果，风扇产生多个气流。多个气流中的每一个可以是空气射流，特别是当风扇以高速运行时。为了在横向方向上适当地分布来自所有多个气流的空气，提供多个发散元件。每个发散元件专用于出口中的一个，并且接收来自专用出口的气流。发散元件沿着横向平面分布来自其专用出口的气流。在多个气流通过发散元件之后，多个气流形成被热交换器的接收表面接收的单个最后气流。结果，单个最后气流的空气被适当地分散遍及接收表面，从而允许与热交换器的高效热传递。在该实施例中，多个发散元件全部相同，或者一些发散元件与其他发散元件不同。每个发散元件的设计例如针对来自其专用出口的气流被单独优化。

16、在一实施例中，热交换器具有用于接收气流的接收区域。接收区域沿着管道的横截面延伸。发散元件适于将第一气流部分和第二气流部分分布遍及接收区域。

17、热交换器的接收区域例如由热交换器的一个或多个表面形成。最后气流接触一个或多个表面以与热交换器交换热量。最后气流沿着或围绕一个或多个表面流动，以进一步流过或在热交换器周围流动。热交换器的接收区域例如由穿孔表面形成。最后气流接触穿孔表面以与穿孔表面交换热量。穿孔表面中的穿孔允许最后气流继续流过或通过热交换器。接收表面例如由多个通道的端部形成。最后气流能够经由接收表面进入通道。热交换器例如是用于车辆的散热器。接收表面例如由多个散热管(诸如蜂窝散热管)形成。热交换器例如适于将热量从接收表面交换到流过热交换器的液体或气体。

18、在一实施例中，发散元件适于提供第二流动路径的横截面，第二流动路径的横截面在朝热交换器的方向上减小。

19、根据该实施例，发散元件为第二流动路径提供横截面，该横截面在热交换器附近比在远离热交换器的更上游小。横截面在横向平面中。例如，发散元件通过增加内横截面表面积来减小第二流动路径的横截面。横截面的外边界可以保持相同，而横截面的内边界改变。横截面的内边界至少部分地向外边界的方向移动，以增加内横截面表面积。在发散元件也发散第二气流部分的情况下，横截面的外边界也向外移动。外边界向外移动一点，而内边界向外移动很多，以使得第二流动路径的横截面在热交换器的方向上减小。

20、通过在朝热交换器的方向上减小第二流动路径的横截面，产生文丘里效应。文丘里效应导致第二气流部分的流速增加。由于第二气流部分的流速增加，第二气流部分的流量增加，而第一气流的流量降低。通过利用该文丘里效应，可以优化第一气流部分和第二气流部分的流量，以沿着横向平面获得气流的均匀分布。

21、在一实施例中，发散元件机械地连接到热交换器。

22、根据该实施例，发散元件通过任何合适的紧固件或钩或夹具等连接到热交换器。例如，发散元件连接到接收表面的一部分。发散元件具有例如连接器，该连接器适于插入接收表面中的开口中并通过将连接器固定在开口中而将发散元件连接到热交换器。通过将发散元件连接到热交换器，发散元件和热交换器相对于彼此具有精确确定的位置。结果，通过发散元件的气流被适当地引导到热交换器的接收表面上。而且，通过将发散元件连接到热交换器，使热交换系统的组装和拆卸变得更容易。随着时间的推移，污垢可能聚集在发散元件和热交换器上或发散元件和热交换器中。在该实施例中，发散元件和热交换器都可以通过简单地移除热交换器而从热交换系统的其余部分拆卸。该实施例还允许使用简单的管道，而不需要任何安装装置来安装发散元件。

23、在一实施例中，发散元件适于减少气流的湍流。

24、根据该实施例，发散元件适于使气流较少湍动或将气流从湍流转换为层流。在湍流中，发生涡流，其导致空气不仅在流动方向上流动，而且在与流动方向相反的方向上流动。在气流是湍流的情况下，需要大的压力来推动气流通过热交换系统。最后气流的湍动越小，风扇产生气流的期望流量所需的功率越小。而且，最后气流的湍动越小，最后气流就越均匀地分散遍及热交换器的接收表面。发散元件例如适于使第一气流部分和/或第二气流部分加速。发散元件能够通过沿着流动方向逐渐减小第一流动路径在横向平面中的横截面来加速第一气流部分。发散元件能够通过沿着流动方向逐渐减小第二流动路径在横向平面中的横截面来加速第二气流部分。由于这种加速，流速增加。由于这种加速，较少的涡流能够产生与流动方向相反的流动。与流动方向相反的涡流的流速变得比在流动方向上增加的流速小。结果，涡流从气流中消失，因此气流变得湍动更少。

25、在一实施例中，发散元件包括具有第一内表面和第一外表面的第一中空体。第一内表面被布置为沿着第一流动路径引导第一气流部分通过第一中空体。第一外表面布置成沿着第二流动路径引导第二气流部分。

26、根据该实施例，第一内表面提供第一流动路径的外边界。第一外表面提供第二流动路径的内边界。第一流动路径和第二流动路径通过第一中空体彼此分离。在一示例中，第一内表面被布置成与流动方向成一定角度。因为第一内表面被布置成与流动方向成一定角度，所以第一流动路径在横向平面中的横截面沿着流动方向增大，从而使第一气流部分发散。在第一外表面平行于流动方向的情况下，第一中空体的厚度沿着流动方向减小。在另一示例中，第一外表面被布置成与流动方向成一定角度。因为第一外表面被布置成与流动方向成一定角度，所以第二流动路径在横向平面中的横截面沿着流动方向增大，从而使第二气流部分发散。在第一内表面平行于流动方向的情况下，第一中空体的厚度沿着流动方向增加。在另一示例中，第一内表面和第一外表面二者与流动方向成一定角度。结果，第一流动路径和第二流动路径在横向平面中的横截面都沿着流动方向增大，从而使第一气流部分和第二气流部分发散。在第一内表面和第二内表面两者与流动方向成相同角度的情况下，第一中空体的厚度沿着流动方向保持相同。此外，通过将第一中空体沿着管道的横截面放置在特定位置处和/或通过将第一中空体相对于流动方向以一定角度放置，气流的方向被可选地调节。

27、在一实施例中，发散元件包括具有第二内表面和第二外表面的第二中空体。第二中空体包围第二流动路径。第二中空体被布置为将气流分成沿着第三流动路径的第三气流部分。第三流动路径包围第二流动路径。第二中空体可选地适于发散第三气流部分。第一外表面和第二内表面被布置为沿着第二流动路径引导第二气流部分。第二外表面被布置为沿着第三流动路径引导第三气流部分。

28、根据该实施例，第二中空体布置在第二流动路径周围，以在第二流动路径周围形成第三流动路径。通过提供第二中空体，形成三个流动路径。通过将气流分散遍及三个流动路径并且通过使第一气流部分、第二气流部分和第三气流部分中的一个、两个或全部三个发散，实现了气流沿着横向平面的均匀分布。特别是在具有突转弯管的管道的情况下，在沿着流动方向仅有短的长度可用于容纳发散元件的情况下，和/或在高速气流的情况下，提供第二中空体进一步改善了气流遍及横向平面的分布。例如，第二中空体与第一中空体同轴。在另一示例中，第二中空体与第一中空体偏心。在一示例中，第二中空体包围多个第一中空体，其中第一中空体彼此相邻布置。可选地，布置包围第二中空体的另外的中空体。这样，形成额外的流动路径。通过使发散元件适于遍及所有流动路径形成期望的气流分流，并且通过根据需要使气流部分发散遍及流动路径，即使气流最初非常不均匀地分布遍及横向平面，也可以获得最后气流的更均匀的分布。例如，发散元件包括三个、四个或五个中空体。

29、在一实施例中，第一外表面和第二内表面被布置为提供在朝向热交换器的方向上减小的第二流动路径的横截面。

30、根据该实施例，第二流动路径的横截面沿着流动方向减小。横截面在横向平面中。由于横截面减小，产生文丘里效应。文丘里效应导致第二气流部分沿着第二流动路径加速。第二气流部分的流速沿着第二流动路径增加。由于该加速，第二气流部分沿着第二流动路径的流量增加。通过增加第二气流的流量，第一气流部分和/或第三气流部分的流量减小。这样，最后气流被更均匀地分散遍及横向平面。

31、在一实施例中，第二外表面相对于管道壁布置，以提供在朝热交换器的方向上减小的第三流动路径的横截面。

32、根据该实施例，第三流动路径的横截面沿着流动方向减小。横截面在横向平面中。由于横截面减小，产生文丘里效应。文丘里效应导致第三气流部分沿着第三流动路径加速。第三气流部分的流速沿着第三流动路径增加。由于该加速，第三气流部分沿着第三流动路径的流量增加。通过增加第三气流的流量，第一气流部分和/或第二气流部分的流量减小。这样，最后气流被更均匀地分散遍及横向平面。

33、在一实施例中，第一中空体的至少一部分成形为截头斜棱锥或截头斜锥体。

34、根据该实施例，第一中空体或其至少一部分是顶点不在其基部的中点上方的棱锥或锥体。由于各种原因，例如发散元件上游的管道中的弯管和附件，气流沿着横向平面的流动轮廓可能是不对称的。为了将不对称气流转换成均匀分散的最后气流，发明人已经发现，通过设置棱锥形状或圆锥形状的倾斜顶点，发散元件能够有效地产生均匀分散的最后气流。由于倾斜形状，第一气流部分的一部分与第一气流部分的另一部分被发散元件不同地引导。类似地，由于倾斜形状，第二气流部分的一部分与第二气流部分的另一部分被发散元件不同地引导。由于第一气流部分和第二气流部分的各部分之间的这种差异，发散元件能够产生均匀分散的最后气流。

35、在一实施例中，管道包括第一管道部分和第二管道部分，第一管道部分和第二管道部分二者都在纵向方向上延伸。第一管道部分连接到第二管道部分以约束气流，从而将气流引导到热交换器。第一管道部分被配置为与第二管道部分断开，以通过在垂直于纵向方向的方向上移位第二管道部分来提供进入发散元件和/或热交换器的通路。

36、根据该实施例，通过在垂直于纵向方向的方向上从第一管道部分移除第二管道部分，可以得到进入发散元件和/或热交换器的通路。第二管道部分可在横向方向上从第一管道部分移除。在管道具有圆形横截面的示例中，第二管道部分与第一管道部分断开并且在径向方向上远离第一管道部分移动。在一示例中，管道具有矩形横截面，第二管道部分与第一管道部分断开并且在高度方向或宽度方向上远离第一管道部分移动。通过以这种方式提供进入发散元件和/或热交换器的通路，在需要清洁或修理发散元件和/或热交换器的情况下，仅需要拆卸最少量的部件。

37、本发明进一步涉及一种用于车辆的hvac系统。hvac系统包括如上面描述的热交换系统。

38、根据一实施例，提供一种hvac系统。hvac系统是提供供暖、通风和/或空调(hvac)的系统。诸如汽车、卡车和公共汽车的车辆被提供有hvac系统以在舱室中获得期望的气候。舱室容纳驾驶员，可选地容纳乘客、行李和/或货物。hvac系统适于在加热模式下运行以加热舱室。hvac系统适于在冷却模式下运行以冷却舱室。hvac系统例如布置在车辆的发动机舱中、仪表板中或发动机舱和仪表板两者中。因为车辆内部用于hvac系统的空间是有限的，并且因为hvac系统需要布置在车辆的其他部件之间和周围，所以管道通常是短的并且包括多个弯管。由于短且弯曲的管道，气流被非常不均匀地分散遍及横向平面。通过为hvac系统提供根据本发明的热交换系统，气流被均匀地分散遍及热交换器。hvac系统包括例如单个热交换器，该单个热交换器适于在加热模式下向气流提供热量并且在冷却模式下从气流中移除热量。在另一示例中，hvac系统包括适于在加热模式下向气流提供热量的热交换器，并且具有适于在冷却模式下从气流中移除热量的另一热交换器。在另一示例中，hvac系统包括用于加热气流的多个热交换器和/或用于冷却气流的多个热交换器。在hvac系统包括多个热交换器的情况下，提供单个发散元件或提供多个发散元件。

39、本发明进一步涉及一种包括根据本发明的热交换系统的车辆。可选地，车辆包括根据本发明的hvac系统。

40、通过为车辆提供热交换系统，热交换器和气流之间的热量被更有效地传递。结果，需要较少的气流来传递期望量的热量，这允许使用较小的风扇。另外或可替代地，允许使用较小的热交换器。通过减小风扇和/或热交换器的尺寸，空间可用于车辆中的其他部件。例如，车辆是包括用于驱动车辆的电动机的电动车辆。电动车辆例如是电动汽车，诸如电动客车。可选地，电动车辆包括太阳能电池板和电动机，其中太阳能电池板适于向电动机提供电力。

41、在一实施例中，车辆包括舱室。热交换系统适于在气流已经通过热交换器之后向舱室提供气流。

42、根据该实施例，舱室的温度通过向舱室提供气流被控制。通过使用根据本发明的热交换器，具有相对小流量的气流能够将大量的热量传递到舱室。结果，仅有具有小流量的气流进入舱室，这改善了舱室中的人的舒适度。与具有大流量的气流相比，具有小流量的气流引起更少的穿堂风和更少的噪声。