本公开涉及热交换系统和包括热交换系统的制冷剂循环。
背景技术：
本发明涉及一种用于车辆制冷剂循环的双膨胀阀，特别是包括双膨胀阀的热交换系统，以及第一热交换器和用于车辆制冷剂循环的双膨胀阀的布置和用于包括第一热交换器和双膨胀阀的布置的车辆的制冷剂循环。
作为冷却/加热系统的一部分的制冷剂循环例如用于具有电驱动器(例如，具有燃料电池)或混合驱动器的机动车辆中，以便保护用作能量存储器的电池免受过度加热。在这种情况下，众所周知的是，借助于冷却回路来冷却电池，该冷却回路同时用作用于冷却车辆内部的供应空气的空调系统。
de102015205933a1公开了一种热交换器块，其具有用于冷却剂的第一流体通道和用于制冷剂的第二流体通道，用于控制制冷剂的质量流率的膨胀阀，具有用于制冷剂的入口通道和出口通道的连接凸缘，其中入口通道在过渡区域中连接到第二流体通道。电动膨胀阀(exv)用于控制制冷剂的质量流率。
us2017358833公开了一种用于车辆的气候控制系统，其包括制冷剂子系统，该制冷剂子系统具有冷却器和exv，exv布置成选择性地将制冷剂引导至冷却器。该车辆还包括冷却剂子系统，该子系统具有导管，该导管布置成使冷却剂循环通过牵引电池和冷却器。冷却剂子系统还包括：第一温度传感器，其被配置为测量循环到冷却器的入口侧的冷却剂；以及第二温度传感器，其被配置为测量从冷却器的出口侧循环出的冷却剂。车辆控制器被配置为，响应于电池超过阈值温度并且请求车厢空气调节，命令exv打开到预定位置并且基于第一温度传感器和第二温度传感器之间的测量的冷却剂温度差来调节位置。
jp2002352866a公开了一种冷却系统，其具有经由制冷剂/冷却剂热交换器彼此联接的冷却回路和制冷回路。位于冷却回路中的是待冷却的电池和用于通过环境空气冷却冷却剂的空气/冷却剂热交换器。空气/冷却剂热交换器可以经由旁通管线以可控的方式被冷却剂绕过。用于冷却车辆内部供应空气的蒸发器位于平行于制冷剂/冷却剂热交换器的分支的制冷回路分支中。在该冷却系统中，电池的冷却一方面可以通过环境空气经由空气/冷却剂热交换器进行，另一方面可以通过制冷回路经由制冷剂/冷却剂热交换器进行。在制冷回路中，设置转换阀，该转换阀控制制冷剂是经由制冷剂/冷却剂热交换器还是经由蒸发器流动以冷却供应空气。
上述现有技术文献的问题是高复杂性并因此制冷剂循环的高成本。而且，由于冷却性能不是最佳的，因此需要提高热源冷却的效率。而且，上述现有技术文献的问题在于缺乏控制热交换器的性能/热传递的灵活性。
本发明的目的是提供一种用于控制制冷剂循环中制冷剂流动的优化布置，通过该布置可以有效冷却热源，特别是车辆电池，同时还提供制冷剂循环的低复杂性。
技术实现要素：
根据本发明的一个方面，提供了一种用于车辆的制冷剂循环的双膨胀阀，其包括：第一入口和第一出口；第一流动限制机构，包括可移动的第一阀元件，通过该第一阀元件可以控制从第一入口流过第一通道到第一出口的第一制冷剂流；第二入口和第二出口；第二流动限制机构，包括可移动的第二阀元件，通过该第二阀元件可以控制从第二入口流过第二通道到第二出口的第二制冷剂流；控制构件，用于使第一阀构件和第二阀构件共同移动；用于感测温度的感测元件；阀驱动构件，被构造成根据感测的温度驱动控制构件。在这方面，双膨胀阀可以设置到包括第一热交换器的热交换系统。
用于车辆的制冷剂循环的这种双膨胀阀使得可以提供制冷剂循环的第一分支的蒸发压力/温度，其独立于制冷剂循环的第二分支的蒸发压力/温度蒸发器。因此，可以独立地控制某个热交换器中的性能/热传递。详细地，根据本发明的双膨胀阀可以同时控制热交换器的入口和出口处的制冷剂流。该热交换器可以独立地控制到制冷剂循环的其余部分，因为双膨胀阀在功能上将热交换器(即来自热交换器和到热交换器的流体流)与制冷剂循环的其余部分分开。因此，可以控制连接到双膨胀阀的第一出口和第二入口的热交换器在其最佳物理条件(例如，蒸发温度，目标温度，压降等)下工作。
此外，将两个流动限制机构(即两个膨胀阀)整合到一个装置中使其更紧凑，更容易制造并且更具成本效益。
另外，使用双膨胀阀的热控制使得能够快速调节双膨胀阀的流动特性并节省额外的控制单元，该控制单元对于常规使用的电气膨胀装置是需要的。
根据本发明的另一方面，提供了一种双膨胀阀，其中第一和第二流动限制机构构造成使得由于控制构件的运动引起的第一和第二限制机构的横截面的相应变化率彼此不同。
因此，由双膨胀阀提供的两个(膨胀)阀的流动特性，例如流量系数，彼此不同。因此，可以提供一种双膨胀阀，其可以适当地控制制冷剂至热交换器的入口的流动，同时控制流出非常相同的热交换器的流动。流量系数是允许制冷剂流动时阀的效率的相对量度。它描述了阀上的压降与相应的流率之间的关系。
根据本发明的另一方面，提供了一种双膨胀阀，其中双膨胀阀构造成使得存在第一制冷剂流与感测的温度的单调相关性，特别是线性或基本线性的相关性；并且，双膨胀阀构造成使得存在第二制冷剂流与感测的温度的单调相关性，特别是线性或基本线性的相关性；和/或第一制冷剂流与感测的温度的基本线性的相关性的梯度大于第二制冷剂流与感测的温度的基本线性的相关性的梯度。第一制冷剂流(例如其质量流率或其容积流率)与感测的温度的单调相关性可以被理解为在单调函数y＝f(x)的意义上的第一制冷剂流(y)与感测的温度(x)的相关性，其中该函数完全不增加或完全不减少。这种单调函数的示例是线性(增加或减少)函数，准线性(增加或减少)函数，对数(增加或减少)函数或抛物线(增加或减少)函数。
发明人确实认识到，能够准确有效地控制热交换器性能(以及因此交换的热量)的两个(膨胀)阀的最佳流量系数基本上是单调的，尤其是几乎线性的。另外，这两个最佳和线性流量系数具有不同的梯度，其可以精确地确定，例如通过计算。
根据本发明的另一方面，提供了一种双膨胀阀，其中用于使第一阀构件和第二阀构件共同移动的控制构件是单个杆；并且可移动的第一阀元件和可移动的第二阀元件布置成分别提供第一通道和第二通道的可变横截面。
根据本发明的双膨胀装置优选地是双热(机械)膨胀装置(txv)，因此，它没有电气致动。与电气膨胀装置相比，这使得结构成本更低。而且，两个阀构件由相同的杆致动。因此，仅需要一个致动机构。因此，双膨胀装置紧凑，易于制造并且不昂贵。
根据本发明的另一方面，提供了一种双膨胀阀，该阀还包括偏置构件，优选地是基本上线性的弹簧，其将控制构件偏置到第一方向；其中阀驱动构件，优选灯泡，将控制构件驱动到与第一方向相反的第二方向。如上所述，牵引阀的最佳流量系数基本上是线性的。因此，线性机械弹簧是一种简单而直接的解决方案，以便偏置流动限制机构。
根据本发明的另一方面，提供了一种双膨胀阀，其中双膨胀阀是使用第一和第二制冷剂流的热控制的机械膨胀阀。
根据本发明的另一方面，提供了第一热交换器和双膨胀阀的布置，其中第一热交换器为制冷剂回路和冷却剂回路提供热交换；其中制冷剂循环的制冷剂包括第一和第二制冷剂流，其中第一制冷剂流从上游进入第一热交换器，第二制冷剂流在第一热交换器的下游离开，双膨胀阀被构造用于热管理冷却剂回路内的热源，该冷却剂回路与制冷剂回路交换热量。
根据本发明的另一主要方面，提供了一种用于车辆的制冷剂循环，其中制冷剂循环包括：用于压缩制冷剂的压缩机；第二热交换器，优选地是散热器，其散发压缩制冷剂的热量，其中第二热交换器流体连接到压缩机；膨胀装置，其使压缩制冷剂膨胀，其中膨胀装置流体连接到第二热交换器；以及第三热交换器，用于与膨胀制冷剂进行热交换，其中第三热交换器流体连接到膨胀装置和压缩机；接合部，其将膨胀装置上游的制冷剂流和第三热交换器分离，第一分支包括膨胀装置和第三热交换器，第二分支包括根据前述方面的第一热交换器和双膨胀阀的布置。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于车辆的冷却和加热系统，其中，感测的温度是冷却回路或制冷剂回路中的第一热交换器的入口处或出口处的温度；双膨胀阀根据冷却热源/散热器的目标温度控制第一制冷剂流的第一流量和第二制冷剂流的第二流量。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于车辆的冷却和加热系统，其中，偏置构件和双膨胀阀的横截面适于使得第一热交换器的压力水平相对于第三热交换器的压力水平不同，特别是更高。
上述方面的优点如下：没有控制器，更便宜，节省空间，更少的部件数量和更少的管道/块接头。
对于使用水进行电池冷却的双膨胀装置的应用，通常可接受一系列温度(例如，仅需要<35摄氏度的电池单元温度)。因此，冷却水的高精度控制(例如+/-0.5k)不是优先考虑的。因此，机械双膨胀阀足以控制热交换器的性能/热传递。
本领域技术人员可以容易地组合上述方面，因为其认为技术上可行。
从以下参照附图对其有利实施例的描述中，本发明将变得更加显而易见。相同的附图标记通常指代相同或相似的部分或提供相同或相似功能的部分。
附图说明
图1以框图的形式示出了现有技术中已知的制冷剂循环；
图2以框图的形式示出了根据本发明的第一方面的用于冷却/加热尤其是电池的机动车辆的制冷剂循环；
图3更详细地示出了图2的双膨胀阀的横截面；
图4以框图的形式示出了根据本发明的第二方面的用于冷却/加热尤其是电池的机动车辆的制冷剂循环。
具体实施方式
图1示出其中传统制冷剂循环的已知制冷剂循环10a。制冷剂循环10a包括用于压缩循环中制冷剂的压缩机1a，其中提供循环中的制冷剂流。然后，来自压缩机1a的出口的压缩和加热的制冷剂由高压热交换器2a冷却，高压热交换器2a在其出口处又具有调制器接收器3a。然后，制冷剂循环10a在第一接合部21a处被分成两个平行的分支20a，24a。因此，制冷剂流分别分成每个分支20a，24a中的两个制冷剂流。第一分支24a包括第一膨胀装置4a，其可以是电气膨胀装置，并且随后是第一低压热交换器5，例如用于冷却机动车辆的车厢的空气的空气蒸发器。第二分支20a包括第二膨胀装置11a和第二低压热交换器6a，第二膨胀装置11a可以是电气膨胀装置。第二低压热交换器6a，例如冷却器或冷却机，可以通过例如空气冷却与热源8a(例如车辆的电池)进行热交换。第一分支24a和第二分支20a在第二接合部22a处连接。因此，第一和第二分支24a，20a的两个分开的制冷剂流被组合成主制冷剂流，该主制冷剂流经由共同的蒸发器压力调节器12a流到压缩机1a的入口。
然而，利用该制冷剂循环10a，蒸发器5a和冷却器6a的出口直接连接，用于在接合部22a处混合制冷剂。理论上，如果在连接蒸发器5a和冷却器6a的出口的管道中存在最小压降，则蒸发器5a和冷却器6a的出口提供相同的压力。实际上，蒸发器5a和冷却器6a的出口处的压力分别高度依赖于彼此并且几乎彼此相同。
接合部22a处的混合压力将取决于热交换器5a，6a中的哪一个在较低压力下操作(蒸发)。在大多数情况下，由车厢蒸发器限定了所产生的压力或其等效饱和温度，因为制冷剂循环10a的冷却模式中的蒸发通常发生在10摄氏度以下，而冷却器6a应该在更高的温度下运行，因为车辆电池通常需要约25摄氏度的水温。
在这种普通情况下，不可能进行到蒸发器5a和冷却器6a的有效性能分配，因为它们彼此受到影响。换句话说，两个热交换器5a，6a的压降存在固有的相互相关性。因此，两个热交换器5a和6a能够同时以其最佳效率工作是不可能的。另外，第一热交换器5的负载和第一热交换器中的冷却剂流率的变化也固有地影响第二热交换器中的流动，这对第二热交换器6a的性能产生负面影响。
而且，在这种传统的制冷剂循环10a中使用两个电气膨胀装置导致复杂且昂贵的设置。
图2示出了根据本发明第一方面的用于冷却/加热尤其是电池的机动车辆的制冷剂循环10。类似于图1，压缩机1压缩制冷剂，其中高压热交换器2，例如空气冷凝器，从压缩的制冷剂中除去热量。或者，可以使用水冷凝器和散热器的间接回路代替空气冷凝器。
高压热交换器2的出口连接到调制器接收器3。或者，可以使用压缩机1入口处的蓄能器。
制冷剂循环10在接合部21处分成两个平行的分支24,20。第一分支24包括第一电气膨胀装置4和随后的第一低压热交换器5，例如用于冷却机动车辆的车厢的空气的空气蒸发器。或者，可以通过使用冷却器和冷却机芯来实现间接空气冷却。此外，第一分支21包括其自己的蒸发器压力调节器12，用于调节第一低压热交换器5的压力(下降)。
第二分支20包括双膨胀装置7和第二低压热交换器6，例如冷却器或冷却机，其可以与热源8(例如车辆的电池，电动发电机或逆变器)进行热交换。详细地，双膨胀装置7具有第一入口71，第一出口72，第二入口73和第二出口74。第一入口71流体连接到第一接合部21。第一出口72流体连接到第二低压热交换器6a的入口。第二低压热交换器6a的出口流体连接到双膨胀装置7的第二入口73。双膨胀装置的第二出口74流体连接到第二接合部22。
第二热交换器6和热源8之间的热交换可以通过空气冷却或利用连接两者的单独的流体冷却循环(未示出)来实现。在该冷却循环内，传统的冷却剂，例如水/乙二醇混合物，从热源8循环到第二热交换器6，反之亦然。该冷却循环包括作为待冷却的热源8的电池，该电池例如可以是用作机动车辆驱动器的混合驱动器的牵引电池。因此，电池由冷却剂冷却或加热，其中用于测量冷却剂温度的温度传感器可另外设置在热源8下游的冷却循环中。此外，可以在该冷却循环中设置冷却剂泵和控制阀。借助于该可选的控制阀，冷却剂可以以可控的分数供应到制冷剂/冷却剂热交换器6。
参照图3更详细地解释根据本发明的双膨胀装置7。第一入口71和第一出口72流体连接在一起，因此提供了用于制冷剂的第一通道。第一通道也与第二入口73和第二出口74流体分离。制冷剂可以从第一入口71流到第一出口72，因此，可控的第一制冷剂流77(即，制冷剂的容积流量[l/min]和/或质量流量[kg/min])可以提供。在第一入口71和第一出口72之间布置有第一流动限制机构772，其可以可控制地限制第一制冷剂流77。详细地，第一流动限制机构772由可移动的第一阀元件770提供，第一阀元件770布置在第一孔口771内。可移动的第一阀元件770附接到可移动杆76。杆76可以沿着轴线移动，例如如图3中的双箭头所示向上和向下移动，以便改变第一制冷剂流77的流动的可用横截面(例如，以[mm2]为单位)。因此，提供第一膨胀阀。
第一和第二制冷剂流动可以在稳态下具有相同的质量流量。暂时地，例如，当冷却器作为制冷剂捕集器/释放器工作时，质量流量可能偏离。由于冷却器上游/下游的温度不同，容积流量通常是不同的。
而且，如图3所示，第二入口73和第二出口74流体连接在一起，因此提供了用于制冷剂的第二通道。第二通道也与第一入口71和第一出口72以及它们对应的制冷剂通道流体分离。制冷剂可以从第二入口73流到第二出口74，因此，可控制的第二制冷剂流78(即，制冷剂的容积流量[l/min]和/或质量流量[kg/min])可以提供。在第二入口73和第二出口74之间布置有第二流动限制机构782，其可以可控制地限制第二制冷剂流78。详细地，第二流动限制机构782由可移动的第二阀元件780提供，第二阀元件780布置在第二孔口781内。可移动的第二阀元件780也附接到可移动杆76。通过移动杆76，可以改变用于第二制冷剂流78的流动的可用横截面(例如，以[mm2]为单位)。因此，在双膨胀阀中还设置有第二膨胀阀。
因此，第一阀元件770和第二阀元件780共同移动，因此第一制冷剂流77和第二制冷剂流可以通过一个单个杆76的运动有利地控制。因此，根据本发明的双膨胀阀具有简单的结构，不需要电动致动器，因此可以低成本制造。
可移动杆76优选地在一侧附接弹簧79，并且附接到致动器75或阀驱动构件75。致动器优选地是灯泡(bulb)75，其连接到感测元件751。感测元件751可用于感测制冷剂循环的选定位置处的温度。灯泡75优选地填充有气体或液体，并且可以根据感测的温度膨胀和收缩。感测元件751也可以填充有气体或液体，并且可以与灯泡75流体连接。如果灯泡膨胀，则杆克服弹簧79的压力移动(在图3中，移动方向将向下)，并且通过增加第一制冷剂流77和第二制冷剂流78的可用横截面来打开第一和第二膨胀阀。换句话说，灯泡75中的气体或流体压力提供打开双膨胀阀的力，因此调节制冷剂的流量并因此控制性能/热传递，尤其是过热。
优选地，杆76的运动可以(基本上)线性地取决于所感测的温度，因此两个膨胀阀的流量系数(基本上)线性地取决于所感测的温度。
此外，第一流动限制机构772和第二流动限制机构782的尺寸可以设定成使得由于控制构件的运动引起的第一和第二限制机构的横截面的变化率彼此不同。例如，第一孔口771和第二孔口772的尺寸可以彼此不同，或者第一阀元件770和第二阀元件780的尺寸可以彼此不同。因此，双膨胀阀7可以为其两个膨胀阀提供不同的线性流动特性。
此外，流动限制机构772和782的尺寸可以设计成使得双膨胀阀配置成使得第一制冷剂流与感测温度存在单调相关性，特别是线性或基本线性相关性，第二制冷剂流与感测温度存在单调相关性，特别是线性或基本线性相关性，优选地，第一制冷剂流与感测温度的单调或基本上线性的相关性的梯度大于第二制冷剂流与感测温度的单调或基本上线性的相关性的梯度。
可移动的第一阀元件770的形状可以是锥形的或者在其横截面中具有梯形截头圆锥形状，如图3所示。或者，它可以在其横截面形状上是球形或球状的。这同样适用于第二阀元件780。
双膨胀装置7能够控制第二低压热交换器6中的流动，并且与第一低压热交换器5相比通过第二低压热交换器6的入口和出口处的制冷剂膨胀产生不同的压力水平。因此，双膨胀装置7能够以低成本以简单的结构基本上独立于制冷剂循环10的其余部分控制热交换器6中的性能/热传递(或过热)。
利用根据本发明第一方面的制冷剂循环10和双膨胀阀7，与现有技术的制冷剂循环10a相比，可以为第二热交换器6提供较低的过热度。因此，制冷剂循环10更有效。
txv设置取决于电池冷却的目标水温(例如，冷却器水进出)。它与车厢蒸发器常用的txv中的过热设置相当。
图4示出了本发明的第二方面。图4中相同的附图标记表示与在图2和图3中已经说明的相同的部件或功能，因此可以省略对这些部件或功能的详细说明。
根据本发明的第二方面，提供了一种能够用作热泵的组合冷却和加热循环。例如，可能需要加热车辆的电池8，例如在冬天，达到电池8的最佳工作温度。因此，根据本发明的热源8是需要冷却或加热到某一目标温度的装置。换句话说，热源8也可以是散热装置8。
图4包含第三接合部23，其中制冷剂流的流动被分离。另一个膨胀装置13将制冷剂膨胀到第四热交换器14和第二调制器接收器15。设置两个截止阀43和41，以便将制冷剂循环10的功能切换到冷却或加热。此外，设置止回阀42以控制调制器15的输出到接合部42的流动。
因此，双膨胀装置7也适用于利用经由冷却器的废热使用和经由外部热交换器14(作为蒸发器)的环境热吸收的热泵操作。
从上述示例性实施例(包括所概述的变型)中可以明显看出，本发明一方面通过制冷循环优选地仅在当这是不可避免的情况下时才执行而允许最佳冷却或加热热源，例如电池。另一方面，借助于第二热交换器6尽可能单独或成比例地进行冷却。
在根据本发明的制冷剂循环10中控制制冷剂流的装置可以包含多个其他部件，例如另外的和其他控制和截止阀以及还有泵。制冷剂回路中的部件的存在和布置可以在本发明的概念中在宽范围内改变，特别是关于压缩机，热交换器和温度传感器的位置。
本公开不限于上述方面。本公开包括在本实施例的范围内的各种修改和改变。在上述实施例中，应该理解，除了明确指出必要的情况和原则上被认为绝对必要的情况之外，构成实施例的元件不是必需的。即使当诸如形成构件的材料，构件的形状，构件的位置关系的特征时，应该理解，这种特征不限于特定的材料，形状，位置关系等，除了明确指明必要的情况和原则上被认为绝对必要的情况。