车用热泵系统及其模块 【技术领域】
本发明涉及热泵系统，尤其是在车辆上应用，并且利用超临界冷却剂(transcritical refrigerant)，例如CO2，的热泵系统；还涉及可以用在这样的系统中的模块。
背景技术
冷却系统，例如空调系统，已经被应用到车辆上很长时间，操作者和/或乘客乘坐的环境条件十分需要这样的系统。但是这样的系统不是毫无缺点的。从它们的本质上来说，许多部件通过各种各样的零件相互连接，这经常会导致渗漏。此外，在这样的系统中的压缩机典型地由为车辆提供推进力的内燃机驱动，该压缩机和其传动装置不能象家用或商用冷却系统那样密封的封闭在一个单独的壳体中。特别是，由于旋转驱动力必需被导向到压缩机，并且该旋转驱动力是从车辆的发动机机械地获得的，因此，不可能将压缩机和发动机密封在压缩机的运动部件必须被密封的一个单独的壳体装置中，因为它们从一个外部装置，即车辆发动机接收它们的动力。不必说，这些密封会导致泄漏，并且事实上，车辆空调系统泄漏的冷却剂是破坏臭氧层的环境污染物的一个主要来源。
为了克服这个问题，工业界首先放弃了人们所知的R12冷却剂，而使用人们所知的更加有利于环境地冷却剂R134a。最近，人们的注意力集中在提供人们希望的带有利用更加有利于环境的超临界冷却剂，例如二氧化碳或CO2的冷却系统的空调。例如，CO2系统可以无需考虑给大气净增加的环境有害物质而成功地被利用。利用传统的装置从大气中获得用作冷却剂的CO2并且在这样的系统中应用。如果这样的系统发生渗漏，那么排放出来的CO2只是回到了其最初来源的大气中，因此，这样的渗漏不会导致大气中CO2的净增加。
尽管如此，即使在CO2系统中人们也不希望发生渗漏，因为这必然需要定期补充系统中使用的冷却剂。补充工作既要花费劳力又要消耗材料，因此需要减少在这样的系统中发生的渗漏。
此外，用来冷却和加热车辆内部的热泵系统也有一些优点。例如，其在乘客舱室内只需要一个用来加热和冷却的热交换器，而传统的系统需要两个这样的热交换器，一个用来蒸发冷却剂以冷却乘客舱室，另一个用来将发动机冷却液的热量排出到乘客舱室。而且，这些热交换器当然必须单独地用管路连接并提供独立的控制装置。
这些附加部件增加了车辆的成本并且经常增加车的重量和体积，超过只有一个热交换器及其使用的用于加热和冷却的相关管路连接的情况。增加的重量会破坏燃油经济性，使车辆的运转更加昂贵，并且比车重可以减轻的情况需要消耗更多的燃油。这反过来会导致发动机运转产生更多的空气污染物，如果燃油经济性可以改善，发动机运转产生的空气污染物可能会减少。增加的体积减少了乘客舱室的可用空间并且典型地使维修更加困难。
本发明旨在克服上述一个或者多个问题。
【发明内容】
本发明的主要目的在于提供一种新的且改进的热泵系统。本发明的目的还在于提供一个包含热泵系统某些部件的模块。
根据本发明的一个方面，提供一个用于车辆上的热泵系统，上述车辆带有产生排出到冷却剂的废热的推进系统。该热泵系统包括一个压缩机，第一和第二热交换器，第一热交换器设置在乘客舱室内或类似位置以选择性地排出或者接收来自乘客舱室内部环境中的热量。第二热交换器设置在车辆上，并且位于车辆行驶时排出的气流中。
一个模块液力连接地设置在压缩机与第一和第二热交换器之间。该模块包括一个用来被安装到车辆上的基座以及一个安装在该基座上带有入口和出口的蓄热器，一个阀装置安装在上述基座上，并且包括一个可以从模块外部连接到压缩机高压侧的入口配件。一个阀出口在模块内部被连接到蓄热器的入口。一个可以从模块外部接近的第一入口/出口配件，从上述阀装置被连接到第一热交换器，一个可以从模块外部接近的第二入口/出口配件，被连接到第二热交换器。上述阀装置至少包括一个可以在两个位置之间变换的阀件，以选择性地将入口配件连接到选定的第一和第二入口/出口配件之一并且选择性地将阀出口连接到第一和第二入口/出口配件中的另一个。一个膨胀装置安装在上述基座上，并且具有一个带有可以从模块外部接近的配件的端口并且被连接到第一热交换器。一个热交换器组件也被安装在上述基座上，并且具有第一和第二热交换流体流路。第一流路与第二流路是热交换的关系。第一流路在模块内的一个位置处被连接到蓄热器出口，并且也具有一个可以从模块外部接近的出口配件，且其被连接到压缩机的低压侧。第二流路在模块内的一个位置处被连接到上述膨胀装置的第二端口，并且具有一个可以从模块外部接近的入口/出口配件，且其被连接到第二热交换器。超临界冷却剂在该热泵系统中。
在一个优选实施例中，上述阀装置包括一个单独的四路阀。
在一个实施例中，热泵系统包括一个封闭的壳体，其内部空间包括基座、蓄热器、阀装置、膨胀装置和热交换器组件。配件位于上述封闭壳体的外部，且蓄热器入口和出口、阀出口以及膨胀装置第二端口位于上述封闭壳体的内部空间中。
更有利的是，上述封闭的壳体是绝缘的。
在本发明十分优选的实施例中，热交换器组件具有第一、第二和第三热交换流体流路，其中第一流路与第二和第三两个流路是热交换的关系。在该实施例中，第三流路用于被连接到冷却剂源。
在一个实施例中，热交换器组件包括位于模块中的两个单独的热交换器，两个单独的热交换器均具有各自的第一流路并且一个单独的热交换器具有第二流路，且另一个单独的热交换器具有第三流路。
在本发明的另一个实施例中，热交换器组件包括一个位于模块中的单独的热交换器，该热交换器具有第一、第二和第三流路。
如前面提及的，本发明还涉及除了压缩机、第一和第二热交换器以及系统中的冷却剂之外的一个模块。该模块以与上述特定性不同的程度进行描述。
由下述结合附图的说明其他目的和优点将更加清楚。
【附图说明】
附图1是根据本发明的一个实施例的热泵系统的示意图，其中示出了以制冷模式应用时的流动方向和部件构成；
附图2是与附图1类似的示意图，但其示出了加热操作过程的流动情况和部件构成；
附图3是本发明的组件所使用的基座的侧视图；
附图4是组件的透视图，为清楚起见组件部分切开；以及
附图5是组件中使用的热交换器部件更改的实施例。
【具体实施方式】
根据本发明的热泵系统十分适用于在车辆上应用，以加热和冷却乘客舱室或类似部分。典型地，车辆具有一个由冷却液冷却的推进系统。例如，当该推进系统包括一个内燃机时，发动机冷却液将作为冷却剂使用。选择性地，如果车辆由燃料电池系统推进，那么在运行过程中冷却燃料电池的冷却液可以作为冷却剂被使用。在任何情况下，都应当理解本发明不限于在内燃机驱动系统中应用并且可以在需要的非车辆应用的情况下有效地使用。
本发明也将在利用超临界冷却剂，例如CO2的系统环境中进行说明。但是本发明也可以在使用R134a和其他类似的系统中应用，上述系统使用吸入管热交换器。本发明还可以利用除了CO2之外的超临界冷却剂。
记住前述内容，下面将参考示意性地示出本发明的热泵系统的附图1和2。该系统包括一个设置在车辆乘客舱室内的热交换器10。典型的，一个风扇(未示出)被操作驱动空气经过上述热交换器10进入乘客舱室。根据热泵系统是在冷却模式下或加热模式下，热交换器10将接收来自于流经其的空气的热量以冷却乘客舱室或者排出热量到流经其的空气以加热乘客舱室。
该系统还包括一个第二热交换器12，其最好是用于超临界冷却系统的传统的气体冷却器。典型地该热交换器12位于车辆运行过程中空气流将要流经的位置。还可以利用一个电驱动或发动机驱动的风扇来辅助或者提供流经热交换器12的气流。
该系统还包括一个带有吸入或低压侧16和高压侧18的冷媒压缩机14。低压侧16包括一个用作冷却剂入口的端口，同时高压侧18包括一个用作压缩的冷却剂排出口的端口。
第一和第二热交换器10，12与压缩机14通过一个模块液力连接，上述模块用附图标记20表示，该模块包含操作必须的其他系统组件。在附图1和2所示的实施例中，模块20包括一个热交换器组件，该组件分别包括两个单独的热交换器22和24。热交换器22包括一个第一热交换流体流路26，该流路与热交换器24中的第一流体流路28相串连。第一流体流路28被连接到位于模块20外部并且可以从此处接近的一个配件30处，且该配件被连接到与压缩机14的低压侧16相连的端口。上述第一流体流路24也被连接到位于模块20中的传统的冷却剂蓄能器罩34的出口端32。如图所示，连接管均包括在模块20内部。
一个第二热交换流体流路36也包括在模块20内，并且尤其包括在热交换器22内，该流路与第一流体流路26是热交换关系。第二流体流路36的一侧通过一个在模块20外部的装置38被连接，并且可以在该处接近热交换器12的一侧。第二流体流路36的另一侧被连接到位于模块20内的一个传统的膨胀装置40。该膨胀装置40通过位于模块20外部的一个配件42被连接，并且可以在该处接近第一热交换器10的一侧。
热交换器24包括一个第三热交换流体流路，该流路用于与第一流体流路28是热交换关系的热交换流体。第三流体流路44的相对端部具有位于模块20外部并且可以在此接近的配件46，第三流体流路44可以通过该配件被连接到车辆推进系统的冷却回路，以从其接收冷却剂，这样冷却剂可以流经第三流体流路44。
在某些情况下，可能需要省去热交换器24，在这种情况下，第一流体流路26和热交换器22将被连接到配件30。
此外，参照附图5，在某些情况下，可能需要将两个单独的热交换器22，24结合成一个单独的热交换器单元。附图5中以热交换器50示意地示出了这样一个单元。热交换器50具有一个第一流体流路，再次标记为26，28，分别对应热交换器22和24中的第一流体流路26和28。第二流体流路被标记为36，且其与热交换器50内的第一流体流路26，28是热交换的关系。第二流体流路36以与热交换器22中的第二流体流路相同的方式被连接到系统中。
热交换器50还包括一个第三流体流路，也对应于热交换器24内的第三流体流路44标记为44。其以与热交换器24中的第三流体流路44相同的方式被连接到系统中，且与第一流体流路26，28是热交换关系。
返回到附图1和2，模块20的另一个部件是一个四路阀，通常标记为52。如图1和2所示，其可以是用于四路阀的传统结构的滑阀形式。选择性地，其可以是旋转形式的四路阀。还有一种选择，可以利用两个三路阀获得同样的效果。
四路阀52包括一个通过在模块20外部的固定件58连接的入口56，且其可以在此连接到压缩机14的高压侧18。其还包括一个通过在模块20外部的第一入口/出口固定件62连接的第一入口/出口60，其可以在此连接到第一热交换器10。
该四路阀52还包括一个通过在模块20外部的固定件68连接的第二入口/出口端66，其在此可以连接到热交换器12。
最后，四路阀52包括一个被连接到蓄热器34的入口端72的出口端70，这种连接完全位于模块20内。
由前述说明可以知道，该系统需要大量的连接以提供所需的液力回路。但是，如上所述，只需要八个配件，且它们位于模块20外部，因为这些配件需要在外部连接第一和第二热交换器10，12，压缩机14以及车辆的冷却系统。当然，如果在模块20内部的热交换器组件内的第三流体流路被省去，则可以省去这些外部配件中的两个。
在任何一个连接处都可能发生不希望的渗漏，尤其是涉及前述配件的连接处，因为这种配件不是永久连接，其允许组件连接和断开，以便维修或进行类似工作。它们可能是螺纹连接，压缩配件或者只是简单的快速连接/断开配件而不管其特定的结构，它们比通过锡焊或铜焊形成的永久连接更容易发生渗漏。这样，各种组件和模块20内的管路的连接可以使用相对永久的连接，例如铜焊或锡焊，而上述配件可以是螺纹连接、压缩配件、快速连接/断开配件，或者是传统使用的以可松开的方式将HVAC系统的回路和部件连接到另一个系统，以便维修或在系统中辅助的配件。然而，最后的结果是，通过使用模块20和其内部相对持久的连接减少了容易发生渗漏的连接，从而避免了前述渗漏问题。
如前所述，附图1示出了系统在冷却模式下系统组件的构成。在该实施例中，四路阀52将第一入口/出口端60连接到出口端70，同时将入口端56连接到第二入口/出口端66。换句话说，在冷却模式下，压缩机14的高压侧18通过四路阀52被连接到第二热交换器12，同时第一热交换器10通过四路阀52被连接到蓄热器34。本领域的技术人员很容易想到在这种模式下，第一热交换器10用作一个蒸发器，而第二热交换器12用作一个冷凝器或气体冷却器。在模块20内部的第二热交换器22用作吸入管热交换器，在使用超临界冷却剂例如CO2时这尤其有利。在系统中使用其他冷却剂也很有利，例如大R134a系统。吸入管热交换器的作用是公知的，在此不再详述。
在冷却模式下，热交换器24不施行特殊的功能，且如果需要，流经第三流体流路44的冷却剂可以通过适当的控制阀被中断。
在加热模式下操作时系统中组件的布置和流向在附图2中示出。在这种情况下，四路阀52将压缩机14的高压侧18连接到用作冷凝器或气体冷却器的第一热交换器10，从而将热量排出到其所在的乘客舱室。同时，从热交换器10返回的流路经过膨胀阀40流经热交换器22内的第二流体流路36到达作为蒸发器的第二热交换器12。冷却剂从第二热交换器12通过四路阀52的端口66经过出口70被排放到蓄热器34，在此其将通过第一流体流路26，28最终返回到压缩机14的低压侧16。此时，来自车辆推进系统的热的冷却剂将流经热交换器24内的第三流体流路44，并将热量排放到冷却剂流经的第一流体流路26，28。这保证流经压缩机14低压侧16的所有冷却剂转换成蒸气的形式，从而避免损坏压缩机14。在某些情况下，特别是在低的环境温度下，流经第三流路44的冷却剂向随后以更高的温度流经压缩机的冷却液排放足够的热量，随后热的冷却剂到达第一热交换器10以增加被其排放到乘客舱室的热量。
现在参见附图3和4，其中示出了模块20的物理结构的一个实施例。首先参见附图3，其中使用了一个底座80来安装各种部件。例如，附图3示出了通过皮带82和螺纹紧固件84安装到底座80上的热交换器22。其它部件也可以利用类似的皮带和螺纹紧固件(未示出)安装。
虽然在附图3中未示出，但是所示的许多线路都朝向底座80的右侧86，特别是，来自膨胀装置40的一个线路和来自四路阀端口56、60、66的线路，上述来自四路阀端口的线路终止在模块20的外部的配件处并且可以在此接近。类似地，来自热交换器24的第三流体流路的线路和一个来自热交换器24的第一流体流路28的线路与来自热交换器22的第二流体流路36的线路一起向底座80的左侧88延伸。如图4所示，这些线路都延伸到模块20的外部，这样可以接近其终止处的配件。
特别是，如图4所示，在具有内绝缘层92的长方形壳体90的外部是配件58、62、68，它们分别可以在壳体90的外部被接近，并且分别连接到入口56以及四路阀52的第一和第二入口/出口60、66。
附图4右侧还示出了在壳体90外部并且可以在此接近的配件42，其通过一个内部线路102被连接到壳体90内的膨胀装置40。
附图4中示意性地示出了一条内部线路104，其将出口70(附图4中未示出)连接到蓄热器34的入口72。这是避免连接到蓄热器34的线路104或连接到四路阀52的出口70的线路104泄漏的一个基本的固定连接。
蓄热器34的出口32通过一个示意性示出的线路106连接到热交换器22。该连接也在壳体90的内部并且是普通的固定连接。
附图4中还示出了通过仅示意性示出的线路108将一个第一流路连接到附图3中所示的另一个第一流路的连接，上述线路108在热交换器22和热交换器24之间延伸。类似的，示意性示出的线路110在壳体90内被连接到热交换器24，该线路延伸到位于壳体90外部且可以在此接近的配件30处。示意性示出的线路120在热交换器24内将第三流路44的端部连接到位于壳体90外部且可以在此接近的配件46处。
最后，示意性示出的线路122从热交换器22延伸到位于壳体90外部用来最终连接到第二热交换器12(参见附图1和2)的配件38处。线路122被连接到位于热交换器22内部的第二流体流路36的一端。
附图1和2中只示意性地示出了多个配件30、38、42、46、58、62和68，且在附图4中以管部的螺纹端部示出。但是，如前所述，这些配件可以是压缩配件、压缩配件、快速连接/断开配件，或者是传统使用的以可松开的方式连接HVAC系统中的回路的配件。
上述模块主要涉及在冷却系统中减少容易泄漏的连接。但是，该模块也很适于包括许多附加值加强组件。例如，本发明想到可以将一个为系统压缩机和膨胀阀40提供控制逻辑的电路板设置在模块壳体内。类似的，可以将温度和压力传感器设置在模块中适当的流路处并且与模块外部电连接以获得系统动力并与压缩机相连，且为各种操作模式和在车辆系统中应用时的发动机操作提供控制信号。
类似地，用于高压或者低压或者两者的减压阀可以包括在模块中。这种阀可以是简单的可以分开的压力盘，其被分开后可以很容易地回到原位，或者是自复归减压阀。
上述模块可以带有一个不论因任何理由冷却剂不足以进行适当的系统操作时允许向系统补充冷却剂的填充端。此外，在模块的液体冷却剂线路中，在配件46(附图1和2)以及模块壳体内的一个位置之间可以结合一个可变流量控制阀和电子执行器，以便控制流到热交换器24的冷却剂的流量。
由于这些部件需要到达流路的连接，所以可以这些连接可以是相对的永久连接，并且在制造模块时进行测试以保证它们可以防止泄漏，从而满足本发明减少容易发生泄漏的连接的需要。
因此，通过使用模块，例如模块20可以极大地减少热泵系统中容易发生泄漏地连接的数量。这样，与泄漏有关的问题，无论是排放对环境有害的冷却剂问题或者仅仅是包括填充冷却剂在内的维修成本的问题都通过利用本发明被减少。此外，本发明提供一种装置，该装置保证特别是液体形式的冷却剂不能到达压缩机14低压侧16从而可能对其造成损坏，同时在热泵系统以加热模式工作时向冷却剂提供附加的热量，以保证即使在很低的环境温度条件下也向乘客舱室提供足够的热量。