用于空氣調節系統的蒸發器的制作方法與工藝

本申請是2009年6月10日提交的美國專利申請第12/481,933的部分繼續申請，在此其全部內容以參見的方式納入本文。本發明涉及一種用于冷卻車輛車廂的空氣調節系統，并且更具體地涉及用于空氣調節系統的蒸發器。

背景技術：
車輛中的燃料效率通過在低效階段、例如在車輛慣性滑行或者臨時停止時關閉汽油發動機來提高。然而，典型空氣調節系統的壓縮機依賴于汽油發動機的曲柄軸，因此汽油發動機在這些低效階段仍持續地運行，以防止對車輛的乘客造成不舒適的情況。希望使空氣調節系統在發動機關閉時仍持續運行，使得車輛在這些低效階段能關閉它們的汽油發動機。在2007年1月2日授予Haller等人的美國專利第7,156,156號（此后稱為Haller'156）提供了一種解決空氣調節系統在發動機不運行時就不起作用這一問題的方案。Haller'156專利示出了一種蒸發器，該蒸發器具有流過其中的制冷劑，從而在車輛發動機運行的第一操作模式中將熱量從空氣流傳遞至該制冷劑。該蒸發器包括沿水平方向延伸的歧管。至少一個管件與歧管流體連通，并且遠離該歧管沿垂直方向向下延伸。蒸發器限定至少一個空腔或相變材料（PCM）儲罐，用于存儲相變材料，從而在車輛發動機運行的第一操作模式中將熱量從相變材料傳遞至制冷劑以冷卻并凍結相變材料。Haller'156專利的空腔設置在多個管件附近并且與該多個管件配合。在車輛發動機停滯的第二操作模式中，熱量直接從空氣流傳遞至空腔中的相變材料，以冷卻空氣流，從而融化或加熱相變材料。仍然不斷地需要改進的空氣調節系統，在車輛發動機關閉時，該空氣調節系統在低效階段持續操作。

技術實現要素：
本發明提供一種蒸發器，該蒸發器具有PCM殼體，該PCM殼體與蒸發器的制冷劑管件的上部區域配合。在第二操作模式中，熱量從制冷劑傳遞至凍結的相變材料，以冷卻并冷凝該制冷劑。制冷劑沿垂直方向向下掉落穿過該制冷劑管件。然后，經冷凝的制冷劑接納來自空氣流的熱量，以冷卻該空氣流并加熱和蒸發該制冷劑。經蒸發的制冷劑沿垂直方向向上上升返回至冷式歧管，在此，該制冷劑將熱量分散給凍結的相變材料。用于空氣調節系統的蒸發器提供在發動機運行和停滯時都能對車輛車廂進行冷卻的改進無源系統。該空氣調節系統也可用在非車輛的應用中。該空氣調節系統比在車輛發動機停滯時仍持續操作的現有技術空氣調節系統具有更小的容積、更便宜并且更易于制造。此外，由于PCM殼體與制冷劑管件的上部區域配合，其中較低溫度的相變材料誘使容納在制冷劑管件中的制冷劑發生熱虹吸，從而在車輛發動機停滯情形下的短暫期間持續地冷卻迎面而來的空氣流。最后，通過將PCM殼體配合在相鄰的制冷劑管件之間，該PCM殼體能與預先存在的蒸發器成一體。附圖說明由于參照結合附圖而考慮的以下詳細描述能更好地理解本發明的其它優點，因而這些優點會變得更容易理解，附圖中：圖1是蒸發器的示例實施例的立體圖；圖2是沿圖1中剖線2-2剖取的蒸發器的示例實施例的剖視圖；圖3是空氣調節系統的示例實施例的流程圖；圖4是輸入和輸出歧管的示例實施例的立體圖；圖5是沿圖2的剖線5-5剖取的其中一個管件的剖視圖；圖6是蒸發器的替代實施例的立體圖，該蒸發器具有夾在相鄰制冷劑管件之間的多個PCM殼體；圖7是圖6所示蒸發器的立體分解圖；圖8示出通過圖6所示蒸發器的制冷劑管件產生熱虹吸效應的示意圖；圖9示出PCM殼體的板件；以及圖10示出與制冷劑管件的上部配合的PCM殼體的剖視圖。具體實施方式參見附圖，其中在所有附圖中，類似的附圖標記指代相對應的部件，在圖3中總地示出空氣調節系統20。在該示例實施例中，雖然空氣調節系統20如圖所示位于具有發動機22的車輛中，然而空氣調節系統20也可用于冷卻建筑物或任何其它結構。示例實施例的車輛具有車輛發動機22運行的第一操作模式和車輛發動機22停滯的第二操作模式。第二操作模式可以是多種不同的驅動情況、例如在車輛慣性滑行或臨時停止時。空氣調節系統20在用于混合電動車輛時尤為有效，因為在電動機驅動車輛時，示例實施例的空氣調節系統20持續地為車輛車廂提供冷卻。空氣調節系統20包括制冷劑回路24，該制冷劑回路24大體在圖3中示出用于循環制冷劑。該制冷劑回路24包括壓縮機26，在第一操作模式，該壓縮機用于將制冷劑壓縮至過熱氣體。在該實施例實施例中，壓縮機26可操作地連接于車輛發動機22。換言之，壓縮機26僅僅在車輛發動機22運行時起作用。或者，例如在空氣調節系統20用于冷卻建筑物或者用于不具有發動機22的電動車輛時，能電力地驅動壓縮機26。制冷劑回路24還包括冷凝器28，該冷凝器與壓縮機26流體連通，用于接納過熱制冷劑并且用于將熱量從制冷劑傳遞至第一空氣流30，以將制冷劑冷凝成液體。制冷劑回路24還包括膨脹閥32，該膨脹閥與冷凝器28流體連通，用于接納液態制冷劑并且用于對制冷劑進行再冷。蒸發器34完成制冷劑回路24并且與膨脹閥32流體連通，用以接納再冷制冷劑。蒸發器34將熱量從第二空氣流36傳遞至該制冷劑，以將制冷劑蒸發成氣體并且冷卻第二空氣流36。在該示例實施例中，第二空氣流36用于在車輛發動機22運行的第一操作模式中冷卻車輛的車廂，然而如上所述，第二空氣流36也可用于冷卻建筑物。大體在圖1和2中示出的示例實施例的蒸發器34包括輸入歧管38和輸出歧管40，該輸入歧管和輸出歧管沿水平方向以隔開且平行的關系延伸，這在圖1、2和4中最佳示出。該輸入歧管38限定了彼此水平隔開的多個輸入管件槽42，而輸出歧管40限定了彼此水平隔開并且與輸入管件槽42對準的多個輸出管件槽44。蒸發器34還包括多個管件46。在空氣調節系統20位于車輛中的示例實施例中，管件較佳地由鋁制成。在空氣調節系統20用于冷卻建筑物的情形中，管件較佳地由銅制成。每個管件46都限定流體通道48，該流體通道48在對準的輸入管件槽42和輸出管件槽44之間延伸，用以將制冷劑從輸入歧管38傳送至輸出歧管40。每個流體通道48都限定了第一腿部50和第二腿部52，該第一腿部與其中一個輸入管件槽52流體連通，而第二腿部與對準的輸出管件槽44流體連通。流體通道48的第一和第二腿部50、52以彼此平行的關系遠離輸入歧管38和輸出歧管40向下延伸。流體通道48的第一和第二腿部50、52在輸入歧管38和輸出歧管40下方垂直地互連，從而使流體通道48限定為U形。在圖5中最佳示出，每個管件46具有呈現平坦的側部54的截面，該側部由圓形端部56互連。流體通道48的第一和第二腿部50、52中的每個都具有至少0.8mm的高度H。空氣散熱片58設置在相鄰管件46的平坦側部54之間并且與這些平坦側部配合，用以接納來自第二空氣流36的熱量。在該示例實施例中，空氣散熱片58銅焊焊接于相鄰管件46的平坦側部54。該示例實施例的空氣散熱片58還構造成增大從蒸發器34中制冷劑至第二空氣流36的熱傳遞。蒸發器34限定了至少一個PCM儲罐60來儲存相變材料。該相變材料可以是具有CnH2n+2的分子式的液態飽和烴、石蠟或在室溫下能保持液態的任何其它材料。在第一操作模式下操作時，熱量從相變材料傳遞至再冷制冷劑，以冷卻并凍結該相變材料。在該示例實施例中，PCM儲罐60與輸入歧管38和輸出歧管40配合。在第二操作模式中，熱量從制冷劑傳遞至凍結的相變材料，以冷卻并冷凝該制冷劑。輸入歧管38和輸出歧管40中經冷凝的制冷劑密度會增大，并且由于重力作用而沿垂直方向向下掉落穿過管件46的流體通道48的第一和第二腿部50、52。然后，經冷凝的制冷劑接納來自第二空氣流36的熱量，以冷卻第二空氣流36并蒸發該制冷劑。經蒸發的制冷劑沿垂直方向向上流過管件46的流體通道48的第一和第二腿部50、52，并流回至低壓的冷式輸入和輸出歧管38、40，在此制冷劑隨后通過將熱量傳遞至凍結的相變材料而再冷卻和冷凝。換言之，在該示例實施例中，即使車輛處于車輛發動機22停滯的第二操作模式中，蒸發器34仍持續冷卻第二空氣流36。圖6中示出蒸發器100的替代示例實施例，該蒸發器具有多個PCM殼體102，該多個PCM殼體與制冷劑管件106的上部區域104熱連通。蒸發器100包括上部歧管108和下部歧管110，其中相對于重力方向使用術語上部和下部。平坦的制冷劑管件106使上部歧管108與下部歧管110液壓地連接，該平坦制冷劑管件可由本領域普通技術人員已知的任何方法來制造，例如通過擠壓、折疊導熱材料板或者組裝具有限定流動空間的沖壓結構的兩個板件半部。雖然示出了平坦管件，然而本領域普通技術人員應認識到也可使用其它制冷劑管件形狀。在圖7中示出蒸發器100的部分分解視圖，其中該蒸發器由多個沖壓金屬板105制成。沖壓金屬板105包括本領域普通技術人員已知的結構，例如開口、繞選定開口的凸臺以及凸緣。在對多個沖壓金屬板105進行了堆疊和銅焊焊接之后，這些沖壓金屬板限定了上部歧管108、下部歧管110以及液壓地連接這些歧管108、110的平坦制冷劑管件106。PCM殼體102插在相鄰的平坦制冷劑管件106之間，該PCM殼體容納相變材料。該PCM殼體102可以由堆疊和銅焊焊接的沖壓金屬板105上的結構所限定，或者可以單獨地制造然后再組裝到蒸發器100上。PCM殼體102設置在相鄰的平坦制冷劑管件106之間，并且僅僅與平坦制冷劑管件106的上部區域104熱接觸。PCM殼體102可圍繞上部歧管108的一部分，或者作為替代，該PCM殼體102可與上部歧管108分開并且在上部歧管108正下方定位在平坦制冷劑管件106的上部區域104中。諸如金屬片112或金屬顆粒或纖維之類的導熱材料可附加在PCM殼體102中，以提高傳熱效率。波狀散熱片114可在PCM殼體102下方插在相鄰的平坦制冷劑管件106之間。參見圖8，如上所述，在車輛發動機22停滯的第二操作模式中，在平坦制冷劑管件的上部區域104中，熱量從較高溫度的蒸氣態制冷劑傳遞至較低溫度的凍結相變材料，由此將制冷劑冷卻并冷凝成液態。隨著較高密度的經冷凝液態制冷劑朝平坦制冷劑管件106的下部116落下，制冷劑吸收來自迎面而來的空氣流的熱量并膨脹成蒸氣態。較低密度的蒸氣制冷劑朝向較低溫度的相變材料向上回流，在此蒸氣態制冷劑隨后再冷卻并且再冷凝以重復該熱虹吸循環。換言之，通過將相變材料定位成僅僅與平坦制冷劑管件106的上部區域104熱接觸，較低溫度的相變材料在平坦制冷劑管件106內包括熱虹吸，這使得在空氣調節系統的壓縮機短時間不起作用時、制冷劑仍能持續地冷卻接近的空氣流。參見圖9，PCM殼體102可以由兩個板件半部103形成，這兩個板件半部包括互補結構，以使得PCM殼體102能類似于蛤殼那樣進行組裝。兩個板件半部103可包括凸臺和孔，這些凸臺和孔與形成平坦管件的金屬板的凸臺和孔協配，從而限定上部歧管108。兩個板件半部103還可包括PCM端口120，這些PCM端口與平坦制冷劑管件106中的通孔117協配，從而限定PCM通道124，用于使相變材料在PCM殼體102之間液壓連通。PCM通道124能易于在制造過程中向PCM殼體102充填相變材料，并且還能使相變材料從一個PCM殼體102遷移至另一個PCM殼體，從而解決相變材料由于整個蒸發器100中的熱梯度而在PCM殼體中不均勻膨脹的問題。參見圖10，通過將相變材料定位在上部歧管108下方使得相變材料和制冷劑之間能具有較大的導熱率。可以對PCM殼體102的長度進行調節，以提供在車輛發動機停滯時實現所期望冷卻性能而需要的期望相變材料容積。較佳的是，并不對PCM殼體的整個容積充填相變材料，以解決相變材料在高達200°F的升溫下體積膨脹的問題。PCM端口120的位置相對于PCM殼體102定位，以使得相變材料能在PCM殼體之間遷移。如果PCM端口120過高，則相變材料會無法重新分布，且PCM殼體容積在空間之間的均衡也不會發生。相變材料的均勻分布會使得成本最低并且確保優化的操作。如果PCM殼體102具有過多相變材料，則會產生附加的成本；而如果PCM殼體具有過少的相變材料，則會致使在蒸發器100的該部分產生不良的性能。盡管已參照其示例實施例描述了本發明，但本領域技術人員應當理解，可在不偏離本發明范圍的條件下進行各種改變并且用等同構件來替換本發明的各構件。此外，可作出許多修改以使特定情形或材料適應本發明的說明，而不脫離本發明的實質范圍。因此，本發明并不局限于為實施本發明而被考慮作為最佳模式所披露的具體實施例，而本發明會包括所有落入所附權利要求范圍的所有實施例。