機動車的輔助的有源的加熱和空調系統的製作方法
2023-06-02 10:02:31 1
專利名稱：機動車的輔助的有源的加熱和空調系統的製作方法
背景技術：
在美國專利No.5,901,780中，公開了一種在車輛不運行時設置成可連續運行的吸附系統。該系統包括在乘客區的熱交換器，它具有用管道接納被調節的傳熱流體，並包括在乘客區外的吸附器冷卻系統，冷卻系統具有兩個吸附床，每個床具有足夠的容量滿足乘客車箱在預定的間隔內冷卻的要求，在與預定間隔相對應的負荷周期交替操作的管道，操作時一個床在吸附而另一床在解吸，以便圍繞製冷劑迴路驅動製冷劑，製冷劑迴路包括在空調(冷卻)時輸送被調節的傳熱流體到熱交換器的蒸發器，在乘客區外的燃燒燃料的加熱器，該加熱器在預定的間隔內有足夠的熱容量使單個吸附床解吸，用於引導由燃燒燃料的加熱器加熱的傳熱流體的一個或多個閥門。該系統運行在加熱模式時，其中燃燒燃料的加熱器加熱的傳熱流體被引導到熱交換器，而在冷卻模式時其中燃燒燃料的加熱器加熱的傳熱流體被交替地引導到各個吸附床，以便使製冷劑吸附和解吸。
發明內容
本發明的改進的輔助加熱和空調系統包括上述專利中所描述的系統並使用固體-氣體吸附反應器，該反應器包含通過在金屬鹽上吸附極性氣體，優選為氨所形成的絡合物。在優選的實施例中，反應器包含結合金屬鹽或絡合物的基體材料。結合氨的絡合物能夠吸附大量的製冷劑，以及具有高的反應速率。如下文中所公開的那樣，通過使用結合金屬鹽或絡合物的吸附劑/基體組成物，系統的反應器提供改進的性能和延長使用的壽命。
圖1是牽引車-拖車的牽引車圖，它的乘客區間隔成駕駛室和臥鋪區，其示出本發明的應用；圖2是本發明兩個吸附器的輔助的有源的加熱和空調系統的示意圖，系統運行以提供加熱；圖3是本發明兩個吸附器的輔助的有源的加熱和空調系統的示意圖，其運行在用左邊吸附器解吸以提供冷卻；圖4是本發明兩個吸附器的輔助的有源的加熱和空調系統的示意圖，其運行在用右邊吸附器解吸以提供冷卻；圖5是本發明兩個吸附器的輔助的有源的加熱和空調系統的示意圖，其處於在給發動機預熱的運行中；圖6是本發明兩個吸附器的輔助的有源的加熱和空調系統的示意圖，其示出在加熱模式中閥的另一種實施例；和圖7是本發明兩個吸附器系統的另一個實施例，在每個床中使用單個傳熱迴路來驅動解吸和吸附。
具體實施例方式
圖1表示牽引車-拖車的牽引車10。牽引車拖車的牽引車部分10包括確定出乘客車箱12的內部空間，乘客車箱包括駕駛室區14和臥鋪或睡覺區16。車輛10的駕駛員在長時間工作期間可以使用臥鋪或睡覺區作周期性休息。在車輛10行駛時，乘客車箱通常由牽引車10的發動機(未示出)供應能量的主加熱和空調系統加熱和冷卻。在加熱模式中，熱的發動機冷卻劑用管道輸送到乘客車箱中的熱交換器。在冷卻時發動機驅動壓縮機，壓縮機壓縮和推動製冷劑圍繞常規的空調2迴路運轉，該迴路具有在乘客車箱內的蒸發器盤管。在駕駛員休息期間，希望能夠關閉牽引車10的發動機，以便節省燃料，減小發動機磨損和限制環境汙染。本發明的加熱和空調系統性質上是輔助的和有源的。它有獨立的能量來源能在延長的時間內，甚至在發動機關閉時向牽引車-拖車10的乘客車箱12連續進行加熱和空氣調節。雖然表示和描述的系統連接到牽引車-拖車的乘客車箱，但是其可以使用在對任何類型的機動車的乘客車箱以進行加熱和空氣調節，機動車包括牽引車-拖車，汽車、卡車、野營車，旅宿式汽車，公共汽車，旅遊車，某些船舶，和小型飛機或機動車任何可能有乘客的區域，例如，牽引車拖車的乘客車箱，牽引車-拖車的乘客車箱的睡覺區，野營車、旅宿式汽車或旅遊車的生活區，和某些船舶的生活和睡覺區。
在下面的描述中，可通用地使用術語「吸收」和「吸附」去提及極性氣體和金屬鹽之間的形成配位絡合物的吸附反應，如這裡所公開的那樣。本發明的加熱和空調系統裝有和使用固體-氣體吸附反應器，反應器包含通過在金屬鹽上吸收極性氣體形成的絡合物。絡合物是在美國專利No.Re.34,259中公開的。在吸收反應中如美國專利No.5,298,231、No.5,328,671和No.5,441,716中所描述，限制所形成的絡合物的體積膨脹。優選的極性氣體反應劑是氨、水、低的鏈烷醇(C1-C5)、烷基胺、和多胺。也可以使用二氧化硫、吡啶和磷化氫、氨是最優選的。優選的金屬鹽包括硝酸鹽、亞硝酸鹽、高氯酸鹽、草酸鹽、硫酸鹽、亞硫酸鹽和滷化物，特別是鹼金屬和鹼土金屬以及過渡金屬的氯化物、溴化物和碘化物，金屬特別是，鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、鉭和錸以及鋅、鎘、錫和鋁。雙金屬氯化物鹽或溴化物鹽，其中至少一個金屬是鹼金屬或鹼土金屬，鋁、鉻、銅、鋅、錫、錳、鐵、鎳或鈷也是有用的。特別感興趣的另一種鹽是NaBF4。在美國專利5,186,020和5,263,330中公開了其它有用的絡合物。用於本發明的反應的優選的絡合物是下面的化合物或包括含有至少一個下述物作為其組份的吸附/解吸的化合物。雖然在下面的絡合物中，給定了每摩爾鹽中的氨的摩爾數值(X)，但在某些絡合物中，給定的摩爾範圍包括幾個配位的步驟。例如，NaBF4化合物，在給定的數值限制之間會產生許多不同的反應步驟。但是，一般實踐上的考慮僅允許使用部分的設計配位範圍。因此，本領域的技術人員將能理解，打算將下述的範圍定為近似的。
絡合物X值SrCl2X(NH3) 0-1，1-8CaCl2X(NH3) 0-1，1-2，2-4，4-8ZnCl2X(NH3) 0-1，1-2，2-4，4-6ZnBr2X(NH3) 0-1，1-2，2-4，4-6Znl2X(NH3) 0-1，1-2，2-4，4-6CaBr2X(NH3) 0-1，1-2，2-6CoCl2X(NH3) 0-1，1-2，2-6CoBr2X(NH3) 0-1，1-2，2-6Col2X(NH3) 0-2，2-6BaCl2X(NH3) 0-8MgCl2X(NH3) 0-1，1-2，2-6MgBr2X(NH3) 0-1，1-2，2-6Mgl2X(NH3) 0-2，2-6FeCl2X(NH3) 0-1，1-2，2-6FeBr2X(NH3) 0-1，1-2，2-6Fel2X(NH3) 0-2，2-6NiCl2X(NH3) 0-1，1-2，2-6NiBr2X(NH3) 0-1，1-2，2-6Nil2X(NH3) 0-2，2-6Srl2X(NH3) 0-1，1-2，2-6，6-8SrBr2X(NH3) 0-1，1-2，2-8SnCl2X(NH3) 0-2，5，2，5-4，4-9SnBr2X(NH3) 0-1，1-2，2-3，3-5，5-9BaBr2X(NH3) 0-1，1-2，2-4，4-8MnCl2X(NH3) 0-1，1-2，2-6
MnBr2X(NH3)0-1，1-2，2-6Mnl2X(NH3) 0-2，2-6Cal2X(NH3) 0-1，1-2，2-6，6-8CrCl2X(NH3)0-3，3-6LiCl X(NH3) 0-1，1-2，2-3，3-4LiBr X(NH3) 0-1，1-2，2-3，3-4NaCl X(NH3) 0-5NaBr X(NH3) 0-5，25NaBF4X(NH3)0-5-2，5NaL X(NH3) 0-4，5K2FaCl5X(NH3) 0-5，5-6，6-11K2ZnCl4X(NH3) 0-5，5-12Mg(ClO4)2X(NH3) 0-6Mg(NO3) X(NH3) 0-2，2-4，4-6Sr(ClO4)2X(NH2) 0-6，6-7CrBr3X(NH3)0-3CrCl2X(NH3)0-3，3-6VCl3X(NH3) 0-3，3-5，5-6，6-7，7-12AlCl3X(NM3)0-1，1-3，3-5，5-6，6-7，7-14CuSO4X(NH3)0-1，1-2，2-4，4-5特別優選的是任何CaCl2X(NH3)絡合物，Srcl21-8(NH3)，SrBr22-8(NH3)，CaBr22-6(NH3)，CaI22-6(NH3)，FeCl22-6(NH3)，FeBr22-6(NH3)，FeI22-6(NH3)，CoCl22-6(NH3)，CoBr22-6(NH3)，BaCl20-8(NH3)，MgCl22-6(NH3)，MgBr22-6(NH3)，MnCl22-6(NH3)和MnBr22-6(NH3)以及其中兩個或多個混合物。
在系統中使用的優選的反應器結合了公開在1999年5月4日申請的申請序列號為09/304,763的美國專利的各項改進。特別是，反應器的熱交換表面之間的空間基本上用吸附劑/基體組成物充滿，該組成物包括結合金屬鹽的或者結合由金屬鹽和極性氣體產生的絡合物的基體材料。結合金屬鹽或絡合物的基體材料可以是紡織材料，如織物或布，無紡材料如氈、席或類似的材料，在材料中紗或纖維已經被纏結或其他的混合，捻轉，加壓或裝填以便形成結合的基體。在無紡纖維層之間可以使用紡織織物層，特別是在交替的紡織和無紡纖維層的複合物中使用。對某些反應器熱交換器的設計也可以使用紗，繩，或帶或條的基體織物。
特別優選的基體材料包括具有非芳香族尼龍或聚醯胺芳族聚醯胺或芳香族聚醯胺、玻璃纖維和聚苯硫醚的尼龍聚合物。對反應器操作溫度在約150℃下的絡合物，優選的是芳香族聚醯胺。對更高的溫度，玻璃纖維和聚苯硫醚是優選的，而在溫度低於約120℃時，尼龍基的聚合物材料也是合適的。在反應器溫度高於約150℃時不推薦芳香族聚醯胺。具有高導熱性的基體材料是有利的，因為它們提高了熱交換器吸收芯的傳熱特性。通過將高導熱性的材料，如纖維、顆粒等等結合到基體中可以提高上述基體材料的導熱性。
為了獲得基體組成物的高的熱力學的和質量效率，希望使用的被裝載材料的物理形式具有較高的吸收劑質量份額。在吸收劑/基體組成物中，優選至少50％，優選的是70％，更優選的是85％或更多的體積是吸收劑本身。這樣，用來產生本發明吸收劑/基體組成物的優選的基體材料具有約50％或更多和達到約98％的孔隙率。用於滿足這樣開放體積和孔隙率要求的織物類型的實例包括紡織材料，如通常由紡織或針織製成的布、織物、氈、席等，以及無紡的但為粘接的形式，如毛層或棉胎和類似物。已經發現使用具有足夠高的氣體滲透性可讓製冷劑氣體通過並具有足夠小的細孔尺寸以防止小的鹽顆粒穿過的基體材料是有利的。儘管紡織材料一般能提供優良的物理和結構均勻性，但是使用無紡的或無定形的纖維基體可以提供固體吸附劑在材料的全部細孔、空間和間隙內的更加均勻的分布。
通過嵌入或浸漬將吸附劑結合到基體材料中或用其他方法組合兩種成份以形成要安裝到本發明的吸附器熱交換器中的吸附劑/基體組成物。將吸附劑結合到基體材料中的優選方法是通過浸漬。可通過任何合適的裝置進行這樣的浸漬，如用含有吸附劑的溶液、漿、懸浮液或混合物噴灑到基體材料上，或者將基體泡在吸附劑的溶液、漿或懸浮液中，接著通過乾燥或加熱，和/或通過真空去除溶劑或載體。還有，另一種將吸附劑結合到基體中的方法，其包括使用吹噴、噴丸或燒結的方法和技術將細的吸附劑顆粒嵌入或其他方法分布到基體中。此外在製造基體氈或織物時或之後，可以將顆粒引入到基體材料中或與其組合。吸附劑也可以是溶化的水合物，並且在基體製造時或之後將液態的吸附劑加到基體上。在安裝到反應器之前用吸收劑浸漬基體的方法可能是優選的。但是，在用含吸收劑鹽的溶液浸漬之前也可以安裝基體。
反應器的質量擴散路徑是氣體分子在氣體分布表面和吸附劑顆粒之間必須通過的距離。在美國專利No.5,441,716中公開了質量擴散路徑長度的明確描述和定義。在使用氨作為製冷劑和與氨化合的絡合物的反應器中，平均最大質量擴散路徑最好低於約15mm(毫米)，它等於上述結合的專利中所描述的優選平均質量擴散路徑長度。優化的尺寸是在過程中所用的特定吸附劑和製冷劑以及運行壓力、接近壓力和溫度的函數，同樣也是吸附劑裝載密度和基體材料的透氣性的函數。優選的平均質量擴散路徑長度低於約15mm，並且最優選的低於約12mm。熱擴散或熱路徑長度取決於相鄰的熱交換表面之間的距離，具體來說是，從最近的高的導熱率的表面到吸附劑質量芯之間的距離。例如，對圖7中所示這類反應器，熱路徑長度是相鄰翅片之間距離的一半。最好，熱路徑長度是小於4.5mm，更優選的是小於4mm，最優選的是約3mm或更小。所以，對翅片管熱交換器設計來說，這樣熱路徑長度是等價於反應器模塊組件的每英寸長度(高度)中有至少4個翅片的反應器翅片數。優選的反應器翅片數是每英寸約9到25個翅片之間(1.4mm到0.5mm的熱路徑長度)。
通過使用高導熱率的材料，如金屬或碳纖維可以進一步改進熱交換器吸附芯。在基體材料中結合這樣的材料或添加劑將允許使用的翅片管熱交換器比上述專利中公開的熱交換器每英寸具有較低的翅片數或較少的翅片。因此，基體織物或氈在它的紡織結構中可以包含導熱的金屬、碳或石墨的纖維或顆粒。當基體材料有相對低的導熱性時使用這樣的導熱材料是特別合適的和甚至是優選的。例如，玻璃纖維，它的低導熱性是眾所周知的，通過結合這樣的導熱纖維其將被大大改進。
參考圖2-4，示意地說明按照本發明構造的加熱和空調系統。圖解說明的加熱和空調系統能在多個模式中運行並適合可選擇地通過乘客車箱12內的單個熱交換器20向牽引車10的乘客車箱12供給被加熱的或被冷卻的空氣。圖示的熱交換器20包括盤管22，它具有傳熱流體可以循環的通道。通過盤管22循環的傳熱流體已經被輔助的加熱和空調系統「調節」，使它或者成為被加熱的傳熱流體或者成為被冷卻的傳熱流體。被調節的傳熱流體的熱能可以通過對流從盤管22傳給乘客或睡覺區12和16，通過使空氣流過盤管22的風機24造成對流。所以，不象機動車的常規的加熱和空調系統，常規系統通常在公共的壓力通風系統中有分離的加熱和空氣調節熱交換器並使用風閥引導空氣進入一個或另一個或同時兩個熱交換器，但是本發明僅需單個熱交換器用於加熱和空氣調節兩者，從而減小本發明需要的重量，空間和成本。
為了給乘客車箱的加熱和空調提供能量，輔助的加熱和空調系統包括獨立於牽引車-拖車發動機運行的能量來源。在優選的實施例中，該能量來源是燃燒燃料的加熱器54，它具有可以使傳熱流體循環和對其加熱的通道56。燃燒燃料的加熱器54從燃料源55獲得燃料，燃料源55位於牽引車-拖車10上並且通過燃料管57連接到加熱器。對加熱和空調兩種功能，燃燒燃料的加熱器54驅動系統以提供被加熱的傳熱流體，通過引導這個加熱的傳熱流體直接到熱交換器20進行加熱，並且通過引導傳熱流體到吸附冷卻系統進行空氣調節。
在圖2-4中所示的系統使用兩個吸收器，即兩個反應器冷卻系統。兩個反應器冷卻系統的運行是交替地加熱一個反應器而同時另一個反應器進行冷卻。被加熱的反應器解吸來自製冷劑迴路的製冷劑而同時進行冷卻的反應器吸附來自製冷劑迴路的製冷劑，從而驅動製冷劑圍繞迴路流動。在預定的間隔內轉換兩個反應器的作用，從而使吸附器冷卻系統可以連續地提供空氣調節。儘管被描述的本發明的吸附器系統是具有兩個反應器，本領域的技術人員將能理解，每個「反應器」可以包括一組具有兩個或多個的反應器。因此，兩個反應器系統可以包括四個、六個或多個反應器，只要第一組反應器和第二組反應器可以交替地加熱和冷卻。此外，通過在每組反應器中吸收器的順序地運行或按時間變換地運行還可以獲得循環的改進，並且在每一組中也可以包括不相等數目的吸收器。
圖解說明的吸附器空調系統有閉合的製冷劑迴路30，它包括第一反應器和第二反應器32和34、冷凝器36、流動裝置和膨脹閥38和蒸發器40。製冷劑迴路還包括單向閥42，44，46，48，它們在反應器32，34解吸和吸附時促使製冷劑通過迴路30的流動。第一和第二反應器32、34每個各自包含獨立的通道50、52，通過它們傳熱流體可以循環以便加熱要解吸的反應器。
燃燒燃料的加熱器54為特殊結構以便具有足夠的熱容量，使得無論在冬天和夏天都可以給輔助的加熱和空調系統供應能量。特別是，在夏天燃燒燃料的加熱器54必須能夠把傳熱流體加熱到適當的溫度以便在反應器中進行解吸/吸附的過程，並且它必須有足夠的熱容量在預定的間隔終止之前完成解吸/吸附過程。此外，燃燒燃料的加熱器54必須有足夠的容量在冬天滿足乘客車箱12加熱的需要。例如，對於乘客車箱的一般睡覺區，輔助的加熱和空調系統在夏天應該能產生至少2000BTU/小時的冷卻能量並且在冬天能產生大於4000BTU/小時的加熱能量。對於使用氨作為製冷劑和常規的車輛發動機冷卻劑作為傳熱流體的這種系統，燃燒燃料的加熱器應該能把傳熱流體加熱到270°F並且產生最小為7500BTU/小時的熱能。這樣的系統在夏天能產生溫度為55°F的冷卻空氣的200BTU/小時冷量，而在冬天能產生溫度為150°F加熱空氣的7500BTU/小時熱量，該系統將具有小於4.5立方英尺的體積和近似150磅的重量。
在圖2-4中所示的系統還包括傳熱流體循環系統，循環系統有選擇地將加熱器54中的傳熱流體通道56或者與在第一反應器32、第二反應器34中的傳熱流體通道相互連接，或者與熱交換器20的傳熱流體通道互相連接。傳熱流體循環系統包括至少三條獨立的傳熱流體通路。第一通路58使傳熱流體在加熱器54和熱交換器20之間循環(在圖2中清楚所示)，第二通路60使傳熱流體在加熱器54和第一反應器32之間循環(在圖3中清楚表示)，以及第三通路62使傳熱流體在加熱器54和第二反應器34之間循環(在圖4中清楚表示)。如圖2-4中所示，為了促進傳熱流體的循環，該系統包括泵64，它的定位使它可以驅動傳熱流體通過三條通路中任何一條。應能理解在傳熱流體循環系統中可以使用任何類型的傳熱流體，包括水或水與例如乙二醇或丙二醇的防凍劑的混合物。
圖解說明的系統包括閥組件65，用它引導加熱器54產生的被加熱的傳熱流體，使得可以應用加熱器為加熱和空氣調節提供能量。閥組件65至少可以在加熱模式和冷卻模式下運行。在加熱模式中，引導由燃燒燃料的加熱器54加熱的傳熱流體作為被調節的傳熱流體進入熱交換器。在冷卻模式中，在預定的間隔內交替地引導由燃燒燃料的加熱器54加熱的傳熱流體進入各自的反應器。在圖示的實施例中，閥組件65包括定位在燃燒燃料的加熱器出口附近的多方向閥，它接納被加熱的傳熱流體並引導流體或者進入第一、第二或者進入第三傳熱流體通路58、60、62。圖示的閥組件65還包括在燃燒燃料的加熱器54入口附近的第二多方向閥，它雖然不需要控制傳熱流體從加熱器54流出的流動方向，但在加熱時其阻斷傳熱流體回流到反應器32、34中，並且在空氣調節時阻斷回流到熱交換器20和吸附反應器中。
在輔助的加熱和空調系統的示意附圖中，傳熱流體循環系統的運行部分(即那些含有循環流體的)用兩根實線並帶有箭頭指示流動方向來表示，而不運行部分用單根實線表示。相似地，製冷劑循環系統的運行部分用密的斜陰影線並帶箭頭指示流動方向來表示，而不運行部分用虛線表示。
在加熱期間，被加熱的傳熱流體從燃燒燃料的加熱器54的傳熱流體通道56通過閥組件裝置65被引入到乘客車箱12中的熱交換器20。如在圖2中示意表示的那樣。在加熱模式時，傳熱流體通過第一流體通路58循環，即從燃燒燃料的加熱器54出來的被加熱的傳熱流體通過在乘客車箱內的熱交換器20循環。在熱交換器20中，被加熱的傳熱流體的熱能通過風機24傳給乘客車箱。在加熱模式時製冷劑迴路30的製冷劑將不循環，並且將傳熱流體從加熱器54循環分別通過第一和第二反應器32、34的第二和第三傳熱流體通路62、63被中止或關閉。
在空調時，使被加熱的傳熱流體循環通過熱交換器20的第一傳熱流體通路58被中斷，而從加熱器54來的被加熱的傳熱流體通過閥組件裝置65交替地通過第一和第二反應器32、34進行循環，在加熱一個反應器的同時另一個進行冷卻。圖3示意地說明在加熱第一反應器32和冷卻第二反應器34的半個周期內傳熱流體的流動和製冷劑的流動。相似地，圖4示意地說明在加熱第二反應器34和冷卻第一反應器32的半個周期內傳熱流體的流動和製冷劑的流動。
參考圖3，閥組件65引導傳熱流體通過第二傳熱流體通路60循環，它將燃燒燃料的加熱器54與第一反應器32互相連接而傳熱流體路徑58、62被中斷或關閉。在圖3說明的冷卻模式的半個周期內，單向閥42和48打開而單向閥44和46關閉。當被加熱的傳熱流體通過第一反應器32床中的傳熱流體通道50經過泵64循環時，流體中的熱能傳給反應器中的吸附劑組份。當吸附劑組份被加熱時，吸附劑組份的蒸汽壓增加直到它大於冷凝壓力，在這時吸附劑組份開始使製冷劑蒸汽解吸，並使製冷劑蒸汽通過製冷劑迴路30到冷凝器。在第一反應器32被加熱使製冷劑解吸的同時，第二反應器34床從升高的溫度冷卻。當第二反應器34冷卻時，其中的吸附劑連續從製冷劑迴路30中吸附製冷劑蒸汽。第一反應器32解吸或將製冷劑「推入」到冷凍到迴路30中和第二反應器34吸附或將製冷劑從製冷劑迴路30中「拉出」的組合作用驅動製冷劑圍繞製冷劑迴路30流動而不需機械的壓縮機。
由第一反應器32解吸的製冷劑蒸汽首先在冷凝器36中冷凝，然後到蒸發器40中蒸發。最後，製冷劑蒸汽被第二反應器34吸附。例如膨脹閥38這樣的流動裝置設置在冷凝器36和蒸發器40之間，用於降低進入到蒸發器40的液態製冷劑的壓力以便改變製冷劑的飽和點。在空調模式時蒸發器40通過通路68的管道將已冷卻的傳熱流體傳送到熱交換器20。在冷卻模式時製冷劑通過蒸發器40循環產生的冷卻能量用來冷卻通過連接蒸發器40和熱交換器20的通路68循環的傳熱流體。通路68包括泵70，泵驅動傳熱流體通過該通路。此外，路徑68包括設置的單向閥72，它被設置用來在加熱模式時中斷或關閉通路68。
為了進一步改進吸附器冷卻系統的性能和效率，該系統最好包括設置在製冷劑迴路中的過冷卻器66，其設置用於在流入到蒸發器的較熱的液態製冷劑和離開蒸發器的較冷的製冷劑蒸汽之間進行熱量交換，從而降低進入蒸發器之前製冷劑的溫度並使製冷劑到達吸附反應器之前變暖。此外，吸附器冷卻系統最好包括製冷劑貯存器74用於貯存系統運行所需的任何多餘的製冷劑。
吸附反應器從製冷劑迴路30中吸附製冷劑會產生熱量。為了改進系統的性能，該系統包括第二製冷劑迴路，它使來自製冷劑迴路的部分製冷劑再循環通過正在冷卻的反應器以便移去這個熱量。更具體的是，優選的設備使用部分冷凝的製冷劑來冷卻吸附反應器。所以在系統操作中，將冷凝的製冷劑引入到反應器的傳熱部分，在該反應器中解吸周期結束和吸附周期開始。在反應器傳熱部分中的管子或管道是與吸附劑交換傳熱的。引入到傳熱管中的冷凝的製冷劑蒸發從而冷卻該管，該管依次冷卻周圍的吸附劑從而使吸附劑的蒸汽壓力下降到蒸發器壓力之下。產生的低壓從蒸發器抽吸製冷劑蒸汽進入反應器內，並使吸附開始。
如圖3和4中所示，吸附器冷卻系統在製冷劑迴路中冷凝器36下遊裝設再循環控制閥78，它控制製冷劑通過包括兩個反應器的第二製冷劑迴路80的製冷劑再循環。如在圖3中所示，在冷卻模式周期時第一反應器被加熱，在製冷劑迴路中循環的部分製冷劑被轉向到第二製冷劑迴路80，並通過控制閥78和經過管線88到第二反應器34。為了作為再循環製冷劑的通道，每個反應器32，34可以裝備通道86、88用作製冷劑的循環。流過管線84並經過第二反應器34中的通道88的再循環製冷劑從吸附材料中吸收熱量，從而保證反應器適當地冷卻，從而使其更有效地吸附製冷劑。反應器傳熱反應的例子描述在上述的美國專利5,441,716和5,447,706中。系統組件的運行以及引導和使用部分的冷凝製冷劑來冷卻吸附反應器的方法也在5,447,706專利中進行描述。作為使用冷凝的製冷劑來冷卻吸附反應器的一種代替，設備和系統可以改為使用具有從液體到氣體相變的溫度在或低於吸附反應器溫度的傳熱流體或冷卻劑，也如在5,447,706專利中描述的那樣。也可以使用從吸附反應器移除熱量的其他方法，包括強制通風讓空氣流過反應器通過對流除去熱量。
在圖3表示的半個周期已經運行預定的間隔時間之後，然後通過兩個反應器的溫度轉換開始冷卻模式的半個周期。這是通過引導被加熱的傳熱流體從加熱器54流過閥組件65流經第三傳熱流體通路62來完成，第三通路連接加熱器54和第二反應器34，如圖4所示。各床的溫度轉換使第一和第二反應器32、34的作用相反。因此，當加熱第二反應器34時它解吸製冷劑蒸汽使其進入到製冷劑迴路30中，並且冷卻第一反應器32時它從製冷劑迴路30中吸附製冷劑蒸汽。在這半個周期期間單向閥44和46打開並且單向閥42和48關閉。與圖3中表示的半個周期一樣，傳熱流體通過第二傳熱流體通路68在蒸發器40和熱交換器20之間循環，以便能用熱交換器20向車輛的乘客車箱12供應冷卻空氣。此外，與圖3中表示的半個周期和上述一樣，在主製冷劑迴路30中的部分製冷劑可以經過第一反應器34中的製冷劑通道86再循環，這是由控制閥78引導製冷劑流過管線82形成的。
在本發明的另一個實施例中，可以使用輔助的加熱和空調系統來預熱機動車的發動機。如圖5中示意說明的那樣，閥裝置65包括發動機預熱模式，其中引導從加熱器54來的被加熱的傳熱流體經過傳熱流體循環系統中的第四通路90，該通路連接燃燒燃料的加熱器34和車輛發動機的冷卻液系統92。
從上述可以理解，本領域的技術人員將能理解閥組件65並不局限於圖解說明的在燃燒燃料的加熱器54進、出口的多方向閥。例如，閥組件65可以包括至少三個分離的控制閥，在三個流體通路58，60，62的每個通路中至少有一個閥，這樣它們可以引導被加熱的傳熱流體從加熱器54流入到如圖6中(表示加熱模式)示意表示的適當通路。另外，可以在每個傳熱流體通路中鄰近它們再進入加熱器的地點處裝設單向閥，以便當該這些路徑不使用時防止傳熱流體回流到適當的路徑中。
圖7說明本發明兩個吸附器系統的另一個實施例，該系統使用分離的傳熱迴路用於引導傳熱流體經過每個反應器來驅動解吸和吸附。所示的系統包括位於機動車的乘客區內部的內部熱交換盤管114和位於乘客區外商的冷凝器116。蒸發器112也位於乘客區外面，並在製冷劑盤管117和傳熱流體盤管119之間傳送熱能。貯存器120保持從冷凝器116來的冷凝的製冷劑(氨或其他極性氣體的製冷劑)。可以包括泵(未示出)的循環加熱或冷卻的流體迴路134在熱交換器112和室內盤管114之間引導傳熱流體，例如乙二醇-水，丙二醇-水或其他合適的流體。反應器102和104每個分別具有傳熱迴路122和124，被加熱的傳熱流體流經這些迴路在解吸時加熱吸附劑驅散出製冷劑，並且引導被冷卻的傳熱流體流經這些迴路來開始和維持吸附，在吸附時排出吸附的熱量。傳熱迴路裝設四通閥門128和130，對於各自的解吸和吸附作用其用於開關流體的路徑。例如，引導從燃燒燃料的加熱器110來的被加熱的傳熱流體經過傳熱迴路122流過反應器102的傳熱部分使製冷劑從絡合物中解吸，而同時通過室外盤管118冷卻的傳熱流體冷卻在反應器104中的吸附劑以便開始吸附，用冷卻的傳熱流體的連續流動排出在吸附周期內反應器中的吸附熱。泵106和107與傳熱流體迴路126配合工作。製冷劑迴路113引導製冷劑蒸汽從解吸的反應器到冷凝器116然後到貯存器120。所示的系統還包括許多數值，可選擇地操作它們以便在傳熱流體迴路126和循環流體迴路124之間引導傳熱流體。所以，在該系統中可方便地使用普通的乙二醇-水發動機防凍劑的傳熱流體。在冷卻模式，從貯存器120來的冷凝的製冷劑在蒸發器112中蒸發並且產生的冷卻通過循環迴路124傳給室內盤管114。通過管道108引導蒸發的製冷劑到吸附的反應器。單向閥103、105、109和111與製冷劑迴路和管道配合引導蒸發的製冷劑進入各自的反應器和離開各自的反應器。在說明的實施例中，多個雙向閥可以代替圖示的四通閥。製冷劑迴路還包括在貯存器120和蒸發器112之間沿製冷劑迴路上的電磁閥135和熱膨脹閥(TXY)137。為了加熱車輛的乘客區，即卡車的睡覺室，使從燃燒燃料的加熱器110出來的傳熱流體通過管道131和133循環，進入和離開室內盤管114。還裝設可選擇的連接132、123，用於將來自燃燒燃料的加熱器110的傳熱流體預熱發動機。加熱器可以用柴油，汽油、丙烷，天然氣等燃料。另一種是，可以使用電加熱。
為了有利於安裝、修理和替換，本發明的加熱和空調系統的任何部分可以是模塊設計。例如，在圖2-4中示出的吸附器冷卻系統和燃燒燃料的加熱器54位於輔助的加熱和空調模塊96內，該模塊安裝在圖1所示的車輛的外面。模塊96通過主和第二傳熱流體循環系統與乘客車箱12內的熱交換器20互相連接。如圖1中所示，模塊96可以是基本上矩形的封閉體，它可以很容易地安裝在牽引車-拖車10的車架上，就在駕駛室的睡覺區16的後面。如果設計的系統具有上述實例中給予的特徵，那麼該系統可以包含在不大於5立方英尺的模塊內。除了圖1中所示的位置，模塊96也可以安裝在剛好在睡覺區16的後面在車架的相反側，或者它可以安裝在乘客車箱12後壁的外面。
由於加熱和空調系統主要位於車輛乘客車箱12的外部，可以很容易接近系統進行維修而不是必須進入到車內或打開發動機室。模塊設計和其外部位置使得用該系統改裝現有的卡車更加容易，因為不需要在乘客車箱或發動機室內佔有空間。類似地，系統的模塊設計使得當系統必須修理時很容易用另一個系統來代替。還有，與有很多組件連接到發動機、連接到主空調系統或位於發動機室內的輔助的加熱和空調系統相反，模塊96的外部位置避免了任何幹擾車輛正常操作的可能性。
權利要求
1.一種用於機動車輛的乘客區的輔助的有源的加熱和空調系統，其包括在乘客區內用管道接納被調節的傳熱流體的熱交換器；製冷劑迴路，其包括在空氣調節期間用管道將被調節的傳熱流體傳送到該熱交換器的蒸發器；在乘客區外用於加熱傳熱流體的燃燒燃料的加熱器；和閥組件，其包括一個或多個用於引導被該燃燒燃料的加熱器加熱的傳熱流體的閥門並具有多個運行模式，該模式包括加熱模式，其中將被加熱的傳熱流體引導到該熱交換器，並包括冷卻模式，其中將被加熱的傳熱流體引導到該反應器；其特徵在於，吸附冷卻系統位於乘客區的外面並具有第一反應器和第二反應器，每個反應器包括熱交換表面，該表面之間具有空間，其包含金屬鹽和在金屬鹽上吸收極性氣體形成的絡合物，所述金屬鹽包括鹼金屬、鹼土金屬、過渡金屬、鋅、鎘、錫或鋁的滷化物、硝酸鹽、亞硝酸鹽、草酸鹽、高氯酸鹽、硫酸鹽或亞硫酸鹽，上述金屬鹽還包括氟硼化鈉或者雙金屬滷化物，所述反應器具有傳熱部分，該部分用於在熱方面暴露傳熱流體和/或冷凝的極性氣體製冷劑，使其與所述金屬鹽或所述絡合物形成熱交換聯繫。
2.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，上述每個反應器在至少所述熱交換表面的一部分之間具有空間，該空間基本上被吸附劑/基體組成物充填，該組成物包括對於極性氣體為惰性的基體材料，並且該組成物結合所述鹽或者其兩種或多種的混合物，或者所述絡合物。
3.如權利要求2所述的系統，其特徵在於，上述基體材料包括線、繩、氈或織物。
4.如權利要求2或3所述的系統，其特徵在於，所述基體材料在結合所述金屬鹽之前具有約50％至約98％之間的孔隙率。
5.如權利要求2或3所述的系統，其特徵在於，所述金屬鹽或絡合物包括所述吸附劑/基體組成物的至少50％體積。
6.如權利要求2或3所述的系統，其特徵在於，所述金屬鹽或絡合物包括所述吸附劑/基體物組成的至少85％體積。
7.如權利要求2所述的系統，其特徵在於，該極性氣體是水、胺、醇或氨。
8.如權利要求2所述的系統，其特徵在於，上述鹽是鹼金屬鹽、鹼土金屬鹽或過渡金屬鹽的混合物。
9.如權利要求2所述的系統，其特徵在於，其包括翅片管式或板式熱交換器。
10.如權利要求2所述的系統，其特徵在於，其具有長度為15mm或更小的平均質量擴散路徑。
11.如權利要求2所述的系統，其特徵在於，其具有長度為4mm或更小的熱擴散路徑。
12.如權利要求2或3所述的系統，其特徵在於，該基體材料包括玻璃纖維。
13.如權利要求2或3所述的系統，其特徵在於，該基體材料包括聚苯硫醚。
14.如權利要求2或3所述的系統，其特徵在於，該基體材料包括芳香族聚醯胺或尼龍。
15.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，該機動車具有發動機冷卻系統，該系統裝有管道接納傳熱流體，並且上述閥裝置還包括發動機預熱模式，其中將來自燃燒燃料的該加熱器的傳熱流體引導至該機動車的該發動機冷卻系統。
16.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，該吸附器冷卻系統和燃燒燃料的該加熱器設置在安裝到機動車外部的輔助的加熱和空調模塊內。
17.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，該加熱器燃燒柴油機燃料、丙烷或汽油。
18.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，該製冷劑迴路包括第二製冷劑路徑，其用於引導冷凝的極性氣體製冷劑通過吸附反應器的該傳熱部分，以便從此處除去熱量。
19.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，該燃燒燃料的加熱器和該吸附床能夠向乘客車箱提供至少2000BTU/小時的空調能量和大於4000BTU/小時的供熱能量。
20.如權利要求19所述的系統，其特徵在於，所述極性製冷劑是氨，所述傳熱流體是發動機冷卻劑，並且該加熱器具有足夠的熱容量將該傳熱流體加熱到近似270°F並且產生至少7500BTU/小時的供熱能量。
21.如權利要求20所述的系統，其特徵在於，燃燒燃料的該加熱器和包括兩個上述反應器的該反應器冷卻系統設置在安裝到該機動車車架上的封閉體內。
22.如權利要求1所述的系統，其特徵在於，該閥裝置包括用於引導由燃燒燃料的該加熱器加熱的該傳熱流體的單個可控多方向閥。
23.如權利要求22所述的系統，其特徵在於，該閥裝置還包括一閥，該閥在加熱模式中阻斷傳熱流體回流到該反應器，並且在冷卻模式中阻斷傳熱流體回流到該熱交換器和該吸附反應器床。
24.如權利要求1、2或3所述的系統，其特徵在於，其包括傳熱流體循環系統，其可選擇地從該燃燒燃料的加熱器將被加熱的傳熱流體循環到該熱交換器、該第一反應器或者該第二反應器，並且其中該閥組件包括一個或多個閥，其用於引導來自燃燒燃料的加熱器的被加熱的上述傳熱流體，在加熱模式中使該流體通過該熱交換器，並且在冷卻模式中使該流體至所述反應器的上述傳熱部分以便驅動其中的解吸，並且其中該吸附冷卻系統位於安裝在該機動車外部的輔助的加熱和空調模塊中，並且具有包括蒸發器的製冷劑迴路，在冷卻期間該蒸發器用管道將傳熱流體傳送到該熱交換器。
25.如權利要求24所述的系統，其特徵在於，該機動車具有與該傳熱流體循環系統互相連接的發動機冷卻系統，並且其中該閥組件包括發動機預熱模式，在該模式中來自燃燒燃料的該加熱器的該傳熱流體被引導到該機動車發動機冷卻系統中。
26.如權利要求24所述的系統，其特徵在於，位於該蒸發器和該熱交換器之間的管道包括單向閥，其用於在加熱模式時中斷其中的流體流動。
27.如權利要求24所述的系統，其特徵在於，該製冷劑迴路包括第二製冷劑通路，其用於引導已冷凝的極性氣體製冷劑通過上述吸附反應器的上述傳熱部分，以便從此處除去熱量。
28.如權利要求1、2或3所述的系統，其特徵在於，其包括蒸發器和冷凝器；在乘客區中的熱交換盤管；和在所述蒸發器和所述熱交換盤管之間的循環加熱或冷卻傳熱迴路。
全文摘要
一種機動車輛乘客區用的加熱和空調系統,其包括在乘客區具有管道接納被調節的傳熱流體的熱交換器(20、114),位於乘客區外面有第一和第二反應器(32、34、102、104)的吸附冷卻系統,每個反應器包含金屬鹽或絡合物並具有在傳熱流體和/或冷凝的極性氣體製冷劑與所述金屬鹽或所述絡合物之間進行熱交換的部分,製冷劑迴路,該迴路包括具有管道在空調時將被調節的傳熱流體傳送到熱交換器(20、114)和蒸發器(40、112),用於加熱傳熱流體的加熱器(54、110),和引導由加熱器(54、110)加熱的傳熱流體的閥組件(65、128、130)。在優選的實施例中每個反應器包含有對於極性氣體為惰性的並結合鹽或絡合物的基體材料。
文檔編號B61D27/00GK1375049SQ00813130
公開日2002年10月16日 申請日期2000年7月7日 優先權日1999年7月20日
發明者U·羅肯菲勒, L·基羅爾, P·薩基斯安, K·哈利利 申請人:羅基研究公司