熱交換器和包括這種交換器的集成空調組件的製作方法

2023-12-12 15:01:27

專利名稱：熱交換器和包括這種交換器的集成空調組件的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於空調系統的熱交換器。還涉及所述熱交換器作為空調系統的內部 交換器的用途、用於通過冷卻劑操作的空調系統的集成組件和包括這種集成組件的空調系 統。
本發明特別有利地應用於利用超臨界冷卻劑操作的空調系統的領域，該冷卻劑例 如是二氧化碳(CO2)。
背景技術：
該類型的空調系統通常包括壓縮機、氣體冷卻器、內部交換器、膨脹室和蓄積器。 通過壓縮機而變成高壓的冷卻劑被傳送到氣體冷卻器以被冷卻。來自冷卻器的高壓流體然 後在內部交換器的第一支路中流動，然後通過膨脹室膨脹。在內部交換器的第二支路中流 動之前，低壓流體然後流過蒸發器，然後是蓄積器。冷卻劑然後返回到壓縮機以經歷又一循 環。
在內部交換器中，在第一支路中流動的熱高壓流體與在第二支路中流動的冷低壓 流體進行熱交換。
設置在蒸發器的出口處的蓄積器被設計為儲存離開蒸發器的冷低壓流體中存在 的過量液體。該蓄積器通常為適於把冷卻劑的液體部分與氣體部分分離的貯存器的形式。 該蓄積器把低溫冷卻劑的氣體部分在經過內部交換器之後傳送到壓縮機。
眾多已知的內部交換器中，已知其與水平蓄積器相關聯，形成法國專利申請No. 2 752 921中描述的集成組件。在該集成組件中，內部交換器具有大致螺旋形狀。分隔件被設 置在內部交換器的卷繞部(winding)之間，以使得冷流體能夠流動，同時熱流體在纏繞在 螺旋形平行通道內的管內流動，該通道設置為垂直於管的軸線。
但是該方案包括在每個卷繞部之間設置間隔，以為低壓流體形成通道。這由此產 生顯著的徑向體積。
為了克服該缺陷，已提出一種用於空調系統的熱交換器，包括限定用於流體和第 二流體流動的路徑的管，該流體稱為高壓流體，該第二流體稱為低壓流體，其中該管被繞軸 線纏繞以限定相繼的卷繞部。
而且，在該交換器中，管的相繼卷繞部被緊密地配合在一起以限定防漏通道，稱為 副通道，用於第二流體的流動，其中這些副通道被定位在管的突出區域之間。管還具有稱為 主通道的通道，設置在突出區域中，用於被第一流體通過。
該已知的熱交換器包括具有大致圓柱形形狀的內芯部，該芯部布置在管的中央且 包括多個嵌套元件，該嵌套元件同時確保管的卷繞，第一流體在主通道的出口處的排放和 第二流體在副通道的入口處的供應。
但是，該方案要求使用相對複雜的內芯部。
本發明的另一目的是要提出一種用於空調系統的熱交換器，其特別能使得前述已 知交換器的結構在用於第一流體的出口和用於第二流體的入口方面被簡化。4發明內容
根據本發明，該目的通過一種用於空調系統的熱交換器實現，該熱交換器包括第 一管，該第一管限定用於稱為高壓流體的第一流體流動的路徑，其中所述第一管繞稱為交 換器軸線的軸線纏繞為螺旋形，特別之處在於，所述熱交換器還包括至少一個第二管，該第 二管限定用於稱為低壓流體的第二流體流動的路徑，其中所述第二管被固定到第一管的面 且與所述第一管一起繞所述軸線纏繞為螺旋形。
由此，下面詳細所示，由於第一和第二流體在獨立的管內流動，可以把第一管的出 口和第二管的入口分開，由此提供獨立的裝置用於排出第一流體和用於供應第二流體，而 不需要同時執行這兩種功能的單個複雜零件。
本發明還涉及根據本發明的熱交換器作為空調系統的內部交換器的用途，特別之 處在於，所述第一流體是高壓流體，所述第二流體是低壓流體。特別地，所述第一和第二流 體由相同冷卻劑組成，特別是超臨界流體。
根據本發明的實施例，所述第一管包括多個主平行通道，其每個都限定用於第一 流體流動的繞交換器軸線的螺旋形路徑。有利地，所述主通道具有基本上圓形的橫截面，以 更好地耐受第一高壓流體在其中流動的第一管的壓力。
類似地，根據本發明，所述第二管包括多個副平行通道，其每個都限定用於第二流 體流動的繞交換器軸線的螺旋形路徑。有利地，所述副通道具有基本上矩形的橫截面，以提 供第二管中流動的第二低壓流體和第一管中流動的第一高壓流體之間熱交換的更好表面。
在本發明的優選實施例中，熱交換器包括分別固定到第一管的一個面的兩個第二管。
該實施例實際上使得可以通過增加設置用於第二管的通道截面而獲得交換器的 第二支路中的壓頭損失的降低，第二低壓流體在該第二支路中流動。
當然，本發明仍然保留用於第二低壓流體流動的第二管的任意數量。
本發明還涉及一種用於利用冷卻劑操作的空調系統的集成組件，顯著之處在於， 所述集成組件包括殼體，根據本發明的內部交換器被容置在該殼體中，位於蓋和基部之間， 其中所述基部裝備有入口，該入口允許第二流體進入由所述第一和第二管形成的卷繞部 中，且在於，所述殼體包括用於第二流體的第二出口管，平行於交換器軸線且包括出口開
根據特定實施例，根據本發明的集成組件包括用於所述第二流體的副入口管，平 行於交換器軸線且其一端通過所述基部與所述出口相通。
根據本發明的特定實施例，所述集成組件包括連接到所述集成組件的基部的蓄積 器，所述第二入口管引入到該蓄積器中以與所述出口相通。
根據第一替換，主管和副管被設置為第一管中的第一流體和第二管中的第二流體 同向流動。
根據第二替換，主管和副管被設置為第一管中的第一流體和第二管中的第二流體 反向流動。
本發明最後涉及一種利用冷卻劑操作的空調系統，包括壓縮機、氣體冷卻器、膨脹 室和蒸發器，顯著之處在於，所述空調系統包括根據本發明的集成件，其中主入口管被連接到氣體冷卻器且主出口管被連接到膨脹室，而副入口管被連接到蒸發器且副出口管被連接 到壓縮機。


結合所附附圖的下面的描述作為非限定性實例而被提供，有助於理解本發明和其 是如何製造的。
圖1是根據本發明的空調系統的示意圖2是用於圖1的空調系統的集成組件的分解透視圖3是圖2的集成組件的頂部視圖4是圖2和3的集成組件的熱交換裝置的示意性透視圖。
具體實施方式
圖1示出了利用冷卻劑操作的空調系統10，該冷卻劑特別是超臨界冷卻劑，例如 二氧化碳(CO2)。
空調系統10可被安裝在機動車中，以根據乘客的需要冷卻車輛內部的空氣。
這種根據超臨界冷卻劑循環操作的空調系統主要包括壓縮機14、與風扇16相關 聯的氣體冷卻器11、內部熱交換器9、膨脹室12、蒸發器13和蓄積器17。
壓縮機14壓縮冷卻劑至排放壓力(discharge pressure)，稱為高壓。該流體然後 流過氣體冷卻器11，在該冷卻器處該流體在高壓下的氣體相下被冷卻。在該冷卻過程中，該 流體不被冷凝，這不同於使用例如冷卻劑的氟化成分的空調系統。
由此被氣體冷卻器11冷卻的流體然後在內部熱交換器9的第一支路90中流動以 被再次冷卻，該支路稱為「熱」支路。該流體然後進入膨脹室12，該膨脹室降低其壓力，將其 至少部分地變為液態。
流過蒸發器13的流體然後在恆壓下變為氣態。蒸發器13中的熱交換使得能夠產 生被空氣調節的氣流，該氣流被發送到車輛內部。
通常，離開蒸發器的冷卻劑不完全被蒸發。蓄積器17被設置在蒸發器13的出口 處以儲存仍包含在流體中的過量液體。典型的蓄積器是適於把冷卻劑的液體部分與氣體部 分分離的貯存器的形式。
蓄積器17然後傳送低溫冷卻劑的氣體部分到內部熱交換器的第二支路92中，以 與「熱」支路90中流動的高溫冷卻劑進行熱交換，該第二支路稱為「冷」支路。
如圖1所示，蓄積器17和內部熱交換器9可被連接為單一部件100。這被稱作「集 成組件」。
圖2示出了這樣的集成組件100，其包括同一殼體130內的蓄積器17，內部熱交換 器9安裝在該蓄積器上。
圖2的內部交換器9基本上被設置在裝置140周圍，以在高壓流體和低壓流體之 間進行熱交換。
根據圖3，該裝置140包括第一管110，該第一管限定用於高壓流體流動的路徑，該 第一管110被繞軸線A纏繞為螺旋形，該軸線在下文被稱為交換器的軸線。熱交換裝置140 還包括兩個第二管120a、120b，每個都限定用於第二低壓流體流動的路徑。這些第二管被固6定到第一管Iio的相應面且與所述第一管同時被繞內部交換器9的軸線A纏繞為螺旋形。 在每個卷繞部處，第二內管120a的內壁可接觸第二外管120b的外壁。除了壓力水平，冷卻 劑在第一管110中和在第二管120a、120b中是相同的。實際上，該流體在第一管110內受 到的壓力(稱為高壓)大於該流體在第二管120a、120b中的壓力(稱為低壓)。
換句話說，第一高壓管被夾在第二低壓管120a、120b之間，以促進高壓流體和低 壓流體之間的交換。
不同管在熱交換裝置140中相對於彼此被設置的方式還在圖4中示出。
實際上，管110、120a、120b可被擠壓或通過釺焊或粘接(bonding)彼此固定。
高壓流體在第一管110中的流動通過多個主平行通道確保，該通道每個都限定用 於高壓流體流動的繞交換器的軸線A的螺旋形的路徑。這些主通道被包含在垂直於軸線A 的相繼平面內。儘管它們在圖中未示出，法國專利No. 2 752 921提供了這種主通道的描 述。
有利地，所述主通道具有基本上圓形的橫截面以提供更好的耐壓性。
這些通道的相同結構還可被應用於副通道的每個第二管120a、120b中，該副通道 每個都限定用於低壓流體流動的繞交換器的軸線A的螺旋形的路徑，其中這些主通道被包 含在垂直於軸線A的相繼平面內。
有利地，所述副通道具有基本上矩形的橫截面以提供與第一管110的更大的熱交 換表面和降低沿低壓流體行進路徑的熱損耗，同時為通過第二管120a、120b的流體提供最 大有效通過截面。
如圖3和4更詳細所示，第一管110的主通道的端部在主入口管111和主出口管 112之間延伸，該主入口管能接收來自空調系統的氣體冷卻器11的高壓流體，該主出口管 能傳送高壓流體至交換器外部，特別是至空調系統的膨脹室12。這些主管111、112具有基 本上圓柱形的形狀，其軸線平行於交換器的軸線A且分別具有開口 113、114，如圖3和4所 示，能接收第一管110的端部中的相應一個。
主管111、112不接觸第二管120a、120b的內或外表面。
實際上，主管111、112被釺焊或粘接到第一管110的端部。類似地，從圖2和4可 看到，主管111、112在它們的端部的一個處被帽115、116封閉，該帽由連接到或直接集成到 管111或112的關閉件製成，例如通過端部的釺焊和摺疊。
如圖2和3所示，裝備有主管111、112的熱交換裝置140被容置在蓋150和基部 160之間的殼體130中。該空間還容置副管121、122，該副管用於控制內部交換器9中的低 壓流體的流動。
更具體地，設置有用於低壓流體的副入口管121，其平行於交換器的軸線A，用於 接收來自空調系統的蒸發器13的低壓流體，和用於將其穿過交換器的基部160傳送到蓄積 器17中。與其液相分離的低壓流體通過熱交換裝置140中的用於低壓流體的入口 161a、 161b離開蓄積器17，進入通過第一管110和第二管120a、120b形成的卷繞部內。
在兩個第二管120a、120b中流動和與第一管110中流動的高壓流體熱交換之後， 低壓流體到達殼體130中的副通道，在那裡其被裝備有開口 123的副出口管122收集。低 壓流體然後通過副出口管122沿空調系統的壓縮機14的方向而被傳送到交換器外部。
在圖2的實施例中，基部160包括兩個板160a、160b。7
板160a(稱為上基板)包括孔163a、164a，用於低壓流體的副出口管122和用於高 壓流體的主入口管111分別被釺焊到所述孔上。標號為16 的另一孔形成在上基板160a 中，用於低壓流體的副入口管121穿過該孔。在該孔的位置處，可能有兩種替換一個是其 中副管121在該孔的位置處被釺焊在板160a上，另一個是其中副管121不機械地連接到板 160a。基本上位於管的卷繞部的中央處的另一孔161a用於(instrumental to)熱交換裝 置140中的低壓流體的入口 160。
板160b(稱為下基板)包括供用於低壓流體的副入口管121穿過的孔162b、用於 容納高壓流體的主入口管111的帽115的孔164b，以及孔161b，該孔161b與上基板160a的 孔161a形成低壓流體的開口 160。低壓流體的副出口管122簡單地與下基板160b接觸。
類似地，交換器的蓋150包括標號為150a、150b的兩個板。
板150a(稱為下蓋板)包括四個孔151a、152a、153a、IMa，用於高壓流體的主出口 管112、用於低壓流體的副入口管121、高壓流體的副出口管122和用於高壓流體的主入口 管111被釺焊在該孔上。
板150b (稱為上蓋板)使得用於內部交換器9的高壓和低壓流體的入口 /出口能 被連接到用戶側上的相應入口 /出口，該相應入口 /出口位於帽170上，該帽能通過穿過帽 170的孔171、172的螺釘連接到上蓋板150b的銷151b、152b上。替換地，帽170和上蓋板 150b之間的連接通過在銷151b和152b的位置處的釺焊產生。
從圖3的實施例可觀察到，高壓流體和低壓流體在它們相應的管內反向地流動。 但是，可以設想同向流動。為此，只需顛倒主管111、112的角色和使得高壓流體通過主管 112進入第一管110且被主管111收集在第一管110的出口處。
蓄積器是機械地連接到集成組件的基部160的獨立部件。替換地，蓄積器限定集 成組件的殼體130，該殼體具有桶的形狀，其底部限定用於接收受到低壓的流體，該底部在 內部交換器上垂直地延伸，以便在與帽170重疊的區域終止，其中帽170進入蓄積器。還應 理解，根據本發明的集成組件被設置和連接在蓄積器上方或完全集成在蓄積器中。
上述說明區別第一流體和第二流體，但是清楚的是，在本發明的優選實施例中，該 流體是相同的且在封閉迴路中循環，該迴路中形成根據本發明的空調系統。8
權利要求
1.一種用於空調系統的熱交換器，包括第一管(110)，該第一管限定用於流體流動的 路徑，其中所述第一管繞稱為該交換器軸線的軸線(A)纏繞為螺旋形，其特徵在於，所述熱 交換器(9)還包括至少一個第二管(120a，120b)，該第二管限定用於該流體流動的路徑，其 中所述第二管被固定到第一管(110)的面且與所述第一管(110) —起繞所述軸線(A)纏繞 為螺旋形。
2.根據權利要求1所述的熱交換器，其中，所述第一管(110)包括多個主平行通道，其 每個都限定用於第一流體流動的繞該交換器軸線(A)的螺旋形路徑。
3.根據權利要求2所述的熱交換器，其中，所述主通道具有圓形橫截面。
4.根據權利要求1至3任一項所述的熱交換器，其中，所述第二管(120a，120b)包括多 個副平行通道，其每個都限定用於所述流體流動的繞該交換器軸線(A)的螺旋形路徑，其 中該流體在第一管(110)內和在第二管(120a，120b)內是相同的且在第一管(110)內受到 的壓力大於流體在第二管(120a，120b)內的壓力。
5.根據權利要求4所述的熱交換器，其中，所述副通道具有基本上矩形的橫截面。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的熱交換器，包括分別固定到第一管(110)的一 面的兩個第二管(120a，120b)。
7.根據權利要求2至6中任一項所述的熱交換器，其中，所述主通道的端部在能接收所 述流體的主入口管(111)和能排出所述流體至交換器外部的主出口管(11 之間延伸。
8.根據權利要求7所述的熱交換器，其中，至少一個主管(111,11 具有基本上圓柱 形的形狀，其軸線平行於交換器軸線(A)，且具有能接收第一管(110)的端部的開口(113， 114)。
9.根據權利要求1至8中任一項所述的熱交換器，其中，所述第一管(110)和第二管 (120a, 120b)被擠壓出。
10.根據權利要求1至9中任一項所述的熱交換器，其中，所述第一管(110)和第二管 (120a, 120b)通過釺焊或粘接固定。
11.根據權利要求1至10中任一項所述的熱交換器作為空調系統(10)的內部交換器 (9)的用途，其特徵在於，所述流體在其流過第一管(110)時是高壓流體，且所述流體在流 過第二管(120a，120b)時是低壓流體。
12.根據權利要求11所述的用途，其中，所述高壓流體和所述低壓流體由相同冷卻劑 組成。
13.根據權利要求12所述的用途，其中，所述冷卻劑是超臨界流體。
14.一種用於利用冷卻劑操作的空調系統的集成組件，其特徵在於，所述集成組件 (100)包括殼體(130)，根據權利要求1至10中任一項所述的內部交換器(9)被容置在該 殼體中，位於蓋(150)和基部(160)之間，其中所述基部裝備有入口(161a，161b)，該入口允 許第二流體進入由所述第一管(110)和第二管(120a，120b)形成的卷繞部中，且在於，所述 殼體(130)包括用於流體的副出口管(122)，該副出口管平行於交換器軸線(A)且包括出口 開口(123)。
15.根據權利要求14所述的集成組件，包括用於所述流體的副入口管(121)，其平行於 交換器軸線(A)且其一端通過所述基部(160)與所述出口(161a 161b)相通。
16.根據權利要求15所述的集成組件，包括連接到所述集成組件(9)的基部(160)的蓄積器(17)，所述副入口管(121)引入到該蓄積器中以與所述出口 (161a, 161b)相通。
17.根據權利要求14所述的集成組件，其中，殼體(130)在基部(160)後在內部交換器 (9)的延伸部中延伸且包括用於接收低壓流體的室。
18.根據權利要求14至16中任一項所述的集成組件，其中，主管(111,11 和副管 (121，122)被設置用於在第一管(110)中的流體和在第二管(120a，120b)中的流體同向流 動。
19.根據權利要求14至16中任一項所述的集成組件，其中，主管(111,11 和副管 (121，122)被設置用於在第一管(110)中的流體和在第二管(120a，120b)中的流體反向流動。
20.一種利用冷卻劑操作的空調系統，包括壓縮機(14)、氣體冷卻器(11)、膨脹室(12) 和蒸發器(13)，其特徵在於，所述空調系統(10)包括根據權利要求14至19中任一項所述 的集成組件(100)，其中主入口管(111)被連接到氣體冷卻器(11)且主出口管(11 被連 接到膨脹室(12)，而副入口管(121)被連接到蒸發器(13)且副出口管(122)被連接到壓縮 機(14)。
全文摘要
本發明涉及一種用於空調迴路的熱交換器，包括第一管(110)，該第一管限定用於流體流動的路徑，其中所述第一管繞所謂的交換器軸線(A)纏繞為螺旋形。根據本發明，所述熱交換器(9)還包括至少一個第二管(120a，120b)，該第二管限定用於第二流體流動的路徑，其中所述第二管被設置為抵靠第一管(11)的表面且與所述第一管(110)一起繞所述軸線(A)纏繞為螺旋形。本發明可被用於利用超臨界冷卻劑操作的空調迴路中，該冷卻劑特別是二氧化碳(CO2)。
文檔編號F28D7/00GK102037305SQ200980118592
公開日2011年4月27日 申請日期2009年3月17日 優先權日2008年3月20日
發明者吉米·萊米, 奧雷利·貝倫凡特, 弗雷德裡克·伯納德, 萊昂內爾·雷諾特 申請人:法雷奧熱系統公司