单体热泵式空气调节器及板型热交换器的制作方法与工艺

本申请是2012年2月16日提交的国际申请PCT/US2012/025419的部分继续申请，该申请PCT/US2012/025419要求2011年2月17日提交的美国临时专利申请61/443,774的优先权。本申请也是2012年2月14日提交的美国专利申请13/396,211的部分继续申请，该申请13/396,211要求2011年2月17日提交的美国临时专利申请61/443,774的优先权。国际申请PCT/US2012/025419、美国专利申请13/396,211以及美国临时专利申请61/443,774的全文都以参见的方式纳入本文。本发明涉及一种用于机动车辆的供暖和空气调节系统；具体涉及一种热泵式空气调节系统；更具体地涉及一种用于热泵式空气调节系统的热交换器。

背景技术：
为了使车厢中的乘客感到舒适，机动车辆通常包括专用的空调系统和供暖系统。供暖系统包括加热器芯部，该加热器芯部位于车辆的供暖、通风以及空气调节(HVAC)模块内部。加热器芯部通常是液体对空气的热交换器，该热交换器将热能供给至车厢以实现舒适地供暖。诸如基于乙二醇的冷却剂之类传热液体将来自内燃机的废热传送至加热器芯部，在此来自传热液体的热能传递至通过加热器芯部流至车厢的周围空气。随着更大效率内燃机、具有较小内燃机的混合车辆以及尤其是电动车辆的出现，可用于为车厢中的乘客提供舒适性的热能会不够。为了向具有较小内燃机的车辆的车厢提供补充热量，已知在热泵模式操作空调系统。典型的机动车辆空调系统包括位于HVAC模块中的蒸发器和位于暴露于外部环境空气的前部机舱中的冷凝器。压缩机使两相制冷剂循环通过蒸发器，在此该制冷剂通过吸收来自车厢的热量而膨胀成低压蒸气制冷剂。在低压蒸气被压缩机压缩成高压蒸气之后，蒸气相制冷剂传递至冷凝器，在此高压蒸气通过将热量释放到环境大体中而冷凝成高压液体制冷剂。液相制冷剂通过膨胀装置返回至蒸发器，该膨胀装置使高压液体制冷剂转化成液态和蒸气态制冷剂的低压混合物以持续循环。通过在热泵模式操作空调系统，制冷剂流逆流，在该情形中，冷凝器通过蒸发液态制冷剂而吸收来自外部环境空气中的热量，且蒸发器通过冷凝蒸气态制冷剂而将热量释放至车厢。由于空调系统用于空气调节模式时的低压侧会变为用于热泵模式时的高压侧，因而在热泵模式中操作空调系统的一个缺点是由于需要不得不通过使用较厚规格的管件和配件来强化整个系统的制冷剂管路而增大系统的复杂度。此外，需要对蒸发器进行强化以承受高压制冷剂，并且连同附加的相关管路一起安装附加的膨胀装置和接纳器。在热泵模式中操作空调系统的另一已知缺点是在较寒冷的气候下，由于冷凝器的表面温度下降到32°F以下，使得冷凝在冷凝器表面上的任何湿气会冻结，由此会降低系统的效率并且甚至会损坏冷凝器。已知电加热器用于向使用空调系统作为热泵的车辆的车厢提供补充热量。在最寒冷的气候下，已知在热泵模式中操作空调系统是无效的；因此，需要附加的电加热器。然而，对于混合和电动车辆来说，电加热器代表着会增大电流提取，而这会显著地减小电力驱动范围。综上所述，需要一种向机动车辆的车厢提供补充热量的供暖系统，该供暖系统无需使空调系统的制冷剂循环逆转或者不利地影响电力驱动范围。

技术实现要素：
本发明涉及一种单体热泵式空气调节器(单体HPAC)，该单体热泵式空气调节器具有板型热交换组件、电力驱动的压缩机以及电力驱动的冷却剂泵。该板型热交换组件包括多个板，该多个板堆叠并且气密地密封在上游端板和下游端板之间。堆叠板限定了冷凝/激冷部分、积存部分以及蒸发/激冷部分，该冷凝/激冷部分邻近于上游端板，该积存部分邻近于下游端板，而蒸发/激冷部分夹在冷凝/激冷部分和积存部分之间。上游端板包括制冷剂进口、吸热冷却剂进口以及吸热冷却剂出口。下游端板包括制冷剂出口、放热冷却剂进口以及放热冷却剂出口。制冷剂通道延伸穿过板型热交换组件并且与制冷剂进口和制冷剂出口液压连通，吸热冷却剂通道延伸穿过冷凝/激冷部分并且与吸热冷却剂进口和吸热冷却剂出口液压连通，而放热冷却剂通道延伸穿过蒸发/激冷部分并且与放热冷却剂进口和放热冷却剂出口液压连通。放热冷却剂通道和吸热冷却剂通道与制冷剂通道非接触地热连通。板型热交换组件可包括制冷剂膨胀装置，该制冷剂膨胀装置具有进入端和离开端，该进入端和离开端设置在蒸发/激冷部分的制冷剂膨胀腔室内。制冷剂膨胀装置的进入端与冷凝/激冷部分内的制冷剂通道液压连通，而离开端与制冷剂膨胀腔室液压连通。板型热交换组件的积存部分可包括油液拾取管，该油液拾取管与制冷剂出口和积存部分的下方容积液压连通。在制冷剂离开制冷剂出口时，制冷剂的速率产生文丘里效应，其中降落到积存部分底部容积中的任何自由液体由油液拾取管拉入到制冷剂流中并通过制冷剂回路再循环本发明一实施例提供一种单体HPAC，该单体HPAC是紧凑的，并且实际上易于安装在车辆的具有大约常用的面包盒尺寸的任何隔室中。在具有低效内燃机的车辆中，单体HPAC利用来自废热源、例如车辆电子器件的热量，并且使用废热来补充车厢的供暖需求。在混合和电动车辆中，单体HPAC通过最小程度地使用电流来为电加热器供电并且向电池组提供热量来维持优选的操作温度而改进了寒冷气候下的驱动范围。通过阅读本发明的实施例的以下具体说明，本发明的另一些特征和优点将变得更加清楚，参照附图并以非限制性实例方式给出该说明。附图说明将参考附图来进一步描述本发明，其中：图1示出了单体热泵式空气调节(单体HPAC)系统的示意图。图2示出根据本发明的单体HPAC的实施例，该单体HPAC具有带有一体积存器的板型热交换器。图3示出沿剖线3-3的图2所示板型热交换组件的剖视图。图4示出流过图2所示板型热交换组件的吸热冷却剂流、放热冷却剂流以及制冷剂流的示意图。图5示出图2所示板型热交换组件的立体局部分解视图。图6示出图2所示板型热交换组件的积存部分的局部剖视图。图7示出图2所示板型热交换组件的下游端板。具体实施方式参见图1至图7，其中类似的附图标记在整个这些附图中指代相对应的部件，并且示出单体热泵式空气调节器(单体HPAC)系统10，该单体热泵式空气调节器系统具有单体HPAC100，而该单体HPAC具有根据本发明的用在机动车辆中的板型热交换组件102。机动车辆可以是具有内燃机的车辆、同时具有内燃机和电力驱动的混合电动车辆或者具有电力驱动的电动车辆中的一种。单体HPAC系统10包括单体HPAC100，该单体HPAC是小型的，并且实际上易于安装在车辆的任何隔室中，隔室具有大约面包盒或更大的尺寸。单体HPAC100的又一些优点在阅读了下文说明书之后会显而易见。图1中示出单体HPAC系统10的流程图，该单体HPAC系统具有制冷剂回路12，该制冷剂回路与放热冷却剂回路14和吸热冷却剂回路16热连通。制冷剂回路12的主要部件包括液压地串联连接的冷凝器18、制冷剂膨胀装置20以及蒸发器22。制冷剂压缩机24位于制冷剂回路的核心处，并且位于蒸发器22的下游和冷凝器18的上游。压缩机24可用于压缩和传递遍及单体HPAC系统10的制冷剂回路12的两相制冷剂，例如R-134a或R-1234yf。吸热冷却剂回路16包括吸热侧激冷器26和吸热侧冷却剂泵28，该吸热侧激冷器26与冷凝器18热连通，而吸热侧冷却剂泵28使吸热侧冷却剂循环通过吸热侧激冷器26。类似地，放热冷却剂回路14包括放热侧激冷器30和放热侧冷却剂泵32，该放热侧激冷器30与蒸发器22热连通，而放热侧冷却剂泵32使放热侧冷却剂循环通过放热侧激冷器30。吸热侧激冷器26和放热侧激冷器30可以是分别封装冷凝器18和蒸发器22的水封壳，或者可以是具有分开的非接触通道的板型热交换组件的部件，这将在下文进行更详细地描述。放热冷却剂回路14将从车辆内各个热源吸收废热能量，例如从内燃机或电子器件吸收废热，由此冷却各个热源。制冷剂回路12将热能从放热冷却剂回路14传递至吸热冷却剂回路16，该吸热冷却剂回路16再将热能传送至诸如乘客热交换器(occupantheatexchanger)之类的各种散热器，以向车厢提供补充热量。大体上，单体HPAC系统10有效地捕获来自车辆的一个部件/部分的废热能量，并且将其有利地用于车辆的另一个部件/部分。作为替代，散热器可以是辐射类型的热交换器，该热交换器暴露于外部环境大气，在此废热消散至外部环境。放热和吸热冷却剂回路14、16在整个车辆中的流路可以基于车辆的冷却和供暖需求而重新构造。放热和吸热冷却剂回路14、16可包括在策略节点处具有远程致动阀的多个互连分支，这些互连分支可重新构造以重新限定放热和吸热冷却剂回路14、16的流路，以分别向多个特定的热源或散热器选择性地提供放热或吸热冷却剂流。制冷剂回路12的制冷剂循环通常与在冷却模式中操作的机动车辆的特定空气调节系统的制冷剂循环相同。两相制冷剂由压缩机24循环通过制冷剂回路12，该压缩机包括抽吸侧36和排放侧38，抽吸侧也被称为低压侧，而排放侧也被称为高压侧。压缩机的抽吸侧在吸收来自放热侧冷却剂的热量之后、接纳来自蒸发器22的低压蒸气相制冷剂，并将该低压蒸气相制冷剂压缩至高压蒸气相制冷剂，然后将该高压蒸气相制冷剂排放至冷凝器18。在该高压蒸气相制冷剂在冷凝器18中被冷凝成高压液相制冷剂时，热量传递至流过吸热侧激冷器26的吸热冷却剂。高压液态制冷剂离开冷凝器18之后，制冷剂可穿过制冷剂膨胀装置20，制冷剂通过该制冷剂膨胀装置开始膨胀成起泡的气液相混合物。起泡的气液相制冷剂进入蒸发器22并且持续地膨胀成低压蒸汽制冷剂，该低压蒸汽制冷剂然后循环回到压缩机24的抽吸侧36以重复该过程。在图2中示出单体HPAC100的一个实施例，该单体HPAC100包括板型热交换组件102、电力驱动的压缩机112以及电力驱动的放热侧和吸热侧冷却剂泵114、116，该压缩机112用于使典型的两相制冷剂循环通过一系列制冷剂管件113，而该放热侧和吸热侧冷却剂泵114、116用于使放热侧冷却剂和吸热侧冷却剂循环通过板型热交换组件102。板型热交换组件102也可称为板型HPAC热交换器102。压缩机112可以是由具有钕磁体的永磁体电动机驱动的小型涡旋式压缩机。用在吸热和放热冷却剂回路中的液态冷却剂大体是70％乙二醇-30％水的混合物，该混合物可防止冷却剂在放热侧热交换组件110所需的低温下冻结或变得过于黏稠。板型热交换组件102连同相关联的电力驱动压缩机112和冷却剂泵114、116一起可安装在平台142上或者封装在尺寸大约为380mm×250mm×180mm或更小的壳体中。转向图3至7，板型热交换组件102包括一体地串联连接的冷凝器/吸热侧激冷部分(冷凝/激冷部分)104、蒸发器/放热侧激冷部分(蒸发/激冷部分)106以及积存部分108。例如美国专利申请No.13/396,211中的描述，板型热交换组件102还可包括一体的热交换部分(未示出)，该热交换部分夹在冷凝器/吸热侧激冷部分104和蒸发器/放热侧激冷部分106之间。在图3至5中示出，板型热交换组件102是基本上由多个波状金属板120形成的板型热交换器，这些波状金属板相对于制冷剂流的方向堆叠并且铜焊在上游端板126和下游端板128之间。上游端板126包括高压制冷剂进口130、吸热冷却剂进口136以及吸热冷却剂出口134。下游端板128包括低压制冷剂出口132、放热冷却剂进口138以及放热冷却剂出口140。多个波状金属板120包括本领域普通技术人员已知的特征，例如开口121、绕选定开口121的凸台123、凸缘125以及流动空间，这些特征在堆叠和铜焊时限定了制冷剂通道122、吸热冷却剂通道124、放热冷却剂通道127、放热冷却剂进口集管144以及放热冷却剂出口集管146，该制冷剂通道122通过板型热交换组件102，该吸热冷却剂通道124通过冷凝器/吸热侧激冷部分104、放热冷却剂通道127通过蒸发器/放热侧激冷部分106，放热冷却剂进口集管144在放热冷却剂进口138和放热冷却剂通道127之间流体连通，而放热冷却剂出口集管146在放热冷却剂出口140和放热冷却剂通道127之间流体连通。图4示出了通过冷凝器/吸热侧激冷部分104的吸热冷却剂通道124的示意流路以及通过板型热交换组件102的蒸发器/放热侧激冷部分106的放热冷却剂通道127的流路。放热冷却剂进入放热冷却剂进口138，然后直接流过基本上平直的放热冷却剂进口集管144，曲折通过蒸发器/放热激冷部分106，然后借助基本上平直的放热冷却剂出口集管146离开放热冷却剂出口143。吸热冷却剂进入吸热冷却剂进口136，曲折通过蒸发器/吸热激冷部分104，然后通过吸热冷却剂出口134离开。吸热制冷剂通道124和放热制冷剂通道127在板型热交换组件102的相应部分104、106内都与制冷剂通道122非接触地热连通。为了清楚地说明，吸热和放热冷却剂通道124、127通过它们相应部分104、106的通路被简化成U通路；但实际上，冷却剂的通路124、127可遵循与限定在每个相应部分104、106内的制冷剂通道122共流或逆流的曲折通路。非接触热连通意味着冷却剂和制冷剂的流不会相互混合，然而在三个部分104、106、108中的每个部分内流动的相应流体之间仍存在热连通来进行热传递。参见图3，堆叠和铜焊的波状金属板120还限定了基本上圆柱形的制冷剂膨胀腔室148，该制冷剂膨胀腔室从第一分界板150朝向第二分界板152延伸。具有进入端156和离开端158的制冷剂膨胀管154设置在制冷剂膨胀腔室148内。制冷剂膨胀管154的进入端156与离开冷凝器/吸热侧激冷部分104的制冷剂通道流体连通，而离开端158与第二分界板152附近的制冷剂膨胀腔室148流体连通。环形制冷剂通道160限定在膨胀管154和制冷剂膨胀腔室148之间。图3示出了制冷剂通道122通过整个板型热交换组件102的流路。较高蒸汽压力的制冷剂进入制冷剂进口130并且在其向吸热冷却剂通道124中的吸热冷却剂流释放热量时冷凝成高压液态制冷剂。高压液态制冷剂持续通过膨胀管154并且在离开到膨胀腔室148使开始膨胀成起泡的液态制冷剂。起泡的液态制冷剂持续膨胀并沿第一分界板150的方向回流过环形制冷剂通道160，并进入蒸发器/放热侧激冷部分106的制冷剂通道122的进口。制冷剂在曲折通过蒸发器/放热侧激冷部分106时从流过放热冷却剂通道127的放热冷却剂流吸收热量而持续膨胀成蒸汽态制冷剂。蒸汽态制冷剂然后在离开制冷剂出口132之前流过板型热交换组件102的积存部分108。在流过积存部分108的同时，任何自由液体或未蒸发制冷剂油液162在重力作用下降落至积存部分108的底部。参见图5至7，下游端板128的内表面164限定了通道凹陷部169，该通道凹陷部从制冷剂出口132向下延伸至下游板128的底部附近。一旦下游端板128堆叠抵靠于相邻板166a，则通道凹陷部169与相邻板166a的表面协配以限定油液拾取管167。转向图5和6，积存部分108的板166包括定位在板166的底部附近的多个孔168。油液拾取管的端部与相邻板166a的其中一个孔168协配以限定制冷剂油液进入端口170。在制冷剂从制冷剂出口132流出时，制冷剂的速率产生文丘里效应，其中降落到积存部分底部容积中的任何自由液体由油液拾取管拉入到制冷剂流中并通过制冷剂回路再循环。积存部分108的底部容积容纳油液和制冷剂的混合物，但在油液的浓度更高。应理解的是，油液拾取管167的特征可以是单独地安装在制冷剂出口132中的管的特征，其中管物理地延伸到积存部分108的底部中。返回参见图2，不同于制冷剂侧的部件在整个发动机舱内远程地散布的典型空气调节系统，在HVAC模块内，包括板型热交换器102和电力驱动压缩机112以及冷却剂泵114、116的单体HPAC100的所有部件都可安装在尺寸约380mm×250mm的单个平台142上。这些部件可封装在壳体内，该壳体具有类似尺寸的基部以及大约小于180mm的高度并且近似是典型面包盒的尺寸，以易于操纵并且受保护不受环境影响。形成单体HPAC100的各部件的集中布置允许使用较短长度的制冷剂管件113，这些管件由诸如不锈钢、铝和/或铜之类制冷剂不可渗透的材料制成。较短长度的制冷剂不可渗透管件113使得制冷剂泄漏和湿气渗透的程度最小；因此由于无需大容积的备用制冷剂，因而允许使用较小容积的积存部分108。湿气渗透程度的降低会减小或消除所需要的干燥剂容积，从而产生更紧凑的单体HPAC100。由于此种紧凑尺寸，单体HPAC100可实际上安装在机动车辆车身内能容下面包盒的任何位置中，例如行李室内、引擎罩下、仪表盘内或甚至座椅下。如果需要干燥剂来捕获渗入到制冷剂回路12中的较小湿气量，则干燥剂可包含到抽吸或排放线路中。尽管已参照其示例实施例描述了本发明，但本领域技术人员应当理解，可在不偏离本发明范围的条件下进行各种改变并且用等同构件来替换本发明的各构件。此外，可作出许多修改以使特定情形或材料适应本发明的说明，而不脱离本发明的实质范围。因此，本发明并不局限于为实施本发明而被考虑作为最佳模式所披露的具体实施例，而本发明会包括所有落入所附权利要求范围的所有实施例。