单芯双回路热交换系统 本发明涉及一种热交换系统,它有一个单芯,该单芯与两个热交换回路流体连通,特别是,本发明涉及一种热交换系统,它有一个单芯,该单芯与一个和一台发动机有热交换关系的第一热交换回路和一个与一个变换器有热交换关系的第二热交换回路流体连通。
本领域已知给机动车如公共汽车备以由牵引电动机供给动力的驱动组件。本领域还已知把内燃机和发电机相结合,以产生一个存储在一个电池或多个电池中的直流电压。该直流电池或多个电池的电压由一个变换器变换成提供给牵引电动机的交流信号。这种布置允许发动机在它的最有效速度下不变地运行。
发动机、变换器和牵引电动机全部产生热。因此必须给机动车装备一种热交换系统,以从机动车中去除由发动机、变换器和牵引电动机所产生的热量的相当大部分。
能使热量去除的一种方法是给机动车装备一个单芯散热器和一个单热交换回路,该单热交换回路和单芯散热器流体连通,并且和发动机、变换器和牵引电动机有热交换关系。然而,为了保护变换器,必须把和变换器有热交换关系的冷却剂的操作温度保持为相对低,约70C。
给定为保护变换器所要求的低操作温度,则在这样系统中将必须从散热器中以冷却剂与周围空气之间相对低的温度差别排出大量废热。当与散热器将要安装在其上的机动车的尺寸比较时,上述由操作准则所要求的单芯散热器的尺寸将检验为很大。
按照本发明的一个方面,一种系统具有一台发动机,一台由该发动机驱动以产生直流电压的发电机,以及一个与该发电机电耦合以把直流电压转换成交流信号的变换器。该系统还有一个与发动机有热交换关系以从发动机中去除热量的第一热交换回路,以及一个与变换器有热交换关系以从变换器中去除热量的第二热交换回路。该系统还有一个分成第一部分和第二部分地单散热器,第一部分与和第二部分的流体连通充分液压隔离。该散热器的第一部分与第一热交换回路流体连通,并且第二部分与第二热交换回路流体连通。
在一个优选实施例中,变换器对一台用于驱动机动车的牵引电动机提供交流电力。
散热器的第一部分可能具有一个第一热交换区,并且散热器的第二部分可能具有一个第二热交换区,第一区比第二区大。
而且,散热器的第一部分可能具有第一多个管,来自第一热交换回路的冷却剂可能通过这些管。散热器的第二部分可能具有第二多个管,来自第二热交换回路的冷却剂可能通过这些管。第一多个管的管数可能比第二多个管的管数大。特别是,第一多个管的管数与第二多个管的管数的比可能约为6∶1。
此外,散热器具有一个第一容器,一个第二容器,第一多个管与第一和第二容器流体连通,以便使冷却剂可能通过第一多个管在第一容器与第二容器之间流通,并且第二多个管与第一和第二容器流体连通,以便使冷却剂可能通过第二多个管在第一容器与第二容器之间流通。散热器可能具有相互之间以隔开关系与第一容器流体连通的第一和第二口,以及相互之间以隔开关系与第二容器流体连通的第一和第二口,这些口中的两个用作入口,并且这些口中的两个用作出口。一对入口和出口可能与第一多个管和第一热交换回路流体连通,并且另一对入口和出口可能与第二多个管和第二热交换回路流体连通。散热器可能具有一个第一隔板,安排在第一容器中,在其中的第一与第二口之间,以使其中的第一口与其中的第二口液压隔离,以及一个第二隔板,安排在第二容器中,在其中的第一与第二口之间,以使其中的第一口与其中的第二口液压隔离,从而使第一多个管与第二多个管液压隔离。第一多个管的管数可能比第二多个管的管数大。
第一热交换回路可能具有一个第一泵,安排在发动机与用作散热器和第一热交换回路之间的入口的口之间,以使冷却剂在第一热交换回路中循环。第二热交换回路可能具有一个第二泵,安排在变换器与用作散热器和第二热交换回路之间的出口的口之间,以使冷却剂在第二热交换回路中循环。
该系统还可能包括一台与变换器电耦合的牵引电动机,以及一台由发动机驱动的空气压缩机。第一热交换回路可能与牵引电动机和空气压缩机有热交换关系。发动机可能是内燃机。
图1是按照本发明的热交换系统的方框图,该系统具有一个带有单芯的散热器,该芯与和发动机有热交换关系的第一热交换回路流体连通,并且与和变换器有热交换关系的第二热交换回路流体连通;以及
图2是图1散热器的断面图。
机动车20示于图1。该机动车20具有一个底盘22,它安装一台发动机24,一台空气压缩机26,一台发电机28,一个电池或电池组件29,一个变换器30,一台牵引电动机32和一个驱动组件34。发动机24优选地是一台可从Navistar以商品名称T-444E买到的230马力柴油发动机,它驱动发电机28以产生直流电压,该直流电压存储在电池或电池组件29中。变换器30与电池或电池组件29电耦合,以把电池或电池组件29的直流电压变换成交流信号。变换器30输出的交流信号用来对牵引电动机32提供动力,牵引电动机32驱动驱动组件34,以推动机动车20。
机动车20还有一个热交换系统36。该热交换系统36包括一个具有第一和第二部分40、42的单芯单通路散热器38,如以下将作详细说明,第一和第二部分40、42相互之间液压隔开。该热交换系统36还包括第一和第二热交换回路44、46。第一热交换回路44在散热器38的第一口48与第二口50之间与第一部分40连接。第一热交换回路44与发动机24、空气压缩机26和牵引电动机32有热交换关系,以使各自冷却。第二热交换回路46在散热器38的第一口52与第二口54之间与第二部分42连接。第二热交换回路46与变换器30有热交换关系,以使其冷却。
参考图2,散热器38具有一个第一容器56和一个第二容器58。在第一容器56中形成第一口或出口48、52,而在第二容器58中形成第二口或入口50、54。第一口48、52沿第一容器56的长度相互隔开,并且第二口50、54沿第二容器58的长度相互隔开。
在第一容器56中第一口48、52之间安排一个隔板60。在第二容器58中第二口50、54之间安排一个类似隔板62。把隔板60、62固定在第一和第二容器56、58的内壁64、66上,以充分防止流体在第一容器56中的第一口48、52与第二容器58中的第二口50、54之间连通。也就是,隔板60、62在口48、52之间及口50、54之间提供液压隔离。隔板60、62可能是任意形状,但是优选地应该符合内壁64、66的形状。
隔板60把第一容器56分成两个第一联管箱68、70。类似地,隔板62把第二容器分成两个第二联管箱72、74。
在第一联管箱68与第二联管箱72之间安排第一多个管76,它们可能是非圆形断面的薄平管。把管76的端部78固定并密封在第一联管箱68上,并且把端部80固定并密封在第二联管箱72上,以便来自第二联管箱72的流体可能通过管76到达第一联管箱68。管76在隔板60、62的一侧与相应联管箱连接。管76表现为管中冷却剂与环境之间热交换的第一热交换区。
在第一联管箱70与第二联管箱74之间安排第二多个管82,它们也可能是非圆形断面的薄平管。把管82的端部84固定并密封在第一联管箱70上,并且把端部86固定并密封在第二联管箱74上,以便来自第二联管箱74的流体可能通过管82到达第一联管箱70。管82在与管76相对的隔板60、62的侧面与相应联管箱连接。第二多个管82表现为管中冷却剂与环境之间热交换的第二热交换区。
因为有第一和第二容器56、58中的隔板60、62,所以大体上所有通过第二联管箱72到达第一联管箱68的流体流过管76,而大体上所有通过第二联管箱74到达第一联管箱70的流体流过管82。
如图2所见,管76的数目比管82的数目大。换句话说,第一部分40的热交换区比第二部分42的热交换区大。
虽然第一和第二部分40、42中管76、82的数目取决于回路44、46中必须使热传递最优的流速。但是按照本发明的一个实施例,第一多个管76有282个管,并且第二多个管82有48个管。因此管76与管82的比约为6∶1。
散热器38还包括空气侧片87,它们加速管76、82与冷却空气流之间的热交换。
如图1所示,散热器38与第一热交换回路44流体连通,第一热交换回路44包括一个牵引电动机热交换器组件88,一个发动机罩90,一个空气压缩机热交换器92,一个泵94,以及导管96、98、100、102、104、106。散热器38还与第二热交换回路46流体连通,第二热交换回路46包括一个变换器热交换器108,一个泵110,以及导管112、114、116。箭头118、120、122、124、126、128、130、132、134表示第一和第二冷却剂通过第一和第二回路44、46及散热器38的流向。
第一热交换回路44组装如下。把导管96第一端136附在散热器38的第一口48上,并且把第二端138附在牵引电动机热交换器组件88的入口140上。牵引电动机热交换器组件88优选地包括一个第一热交换器,与牵引电动机32有直接热交换关系,并且用油作冷却剂,以及一个第二热交换器,其中允许油通过第一热交换回路44把热量排出到冷却剂流中。
把导管98的第一端142附在牵引电动机热交换器组件88的出口144上,并且把第二端146附在发动机罩90的入口148上。
把导管100的第一端150附在发动机罩90的出口152上。还把导管100的第二端154附在泵94的入口156上。
把导管102和104的第一端158、160附在泵94的出口162上。把导管102的第二端164附在空气压缩机热交换器92的入口166上。把导管104的第二端168附在散热器38的入口50上。
把导管106的第一端170附在空气压缩机热交换器92的出口172上。把导管106的第二端174附在导管98上。
第二热交换回路46组装如下。把导管112的第一端176附在散热器38的第一口52上。把导管112的第二端178附在泵110的入口180上。
把导管114的第一端182附在泵110的出口184上。还把导管114的第二端186附在变换器热交换器108的入口188上。
把导管116的第一端190附在变换器热交换器108的入口192上。把导管116的第二端194附在散热器38的第二口54上。
在操作中,第一冷却剂将如箭头118、120、122、124、126、128所示在第一回路44中循环。冷却剂沿箭头118方向通过散热器38的第一部分40的第一口或出口48离开散热器38。冷却剂以约91C(195°F)的温度和约187kg/min(412lbs./min.)的流速流出散热器38。
冷却剂通过导管96进入牵引电动机热交换器88的入口140。当它通过牵引电动机热交换器88时,冷却剂吸收约1.14Mj/min.(1081Btu/min.)。冷却剂以91.7C(197°F)的温度通过出口144流出牵引电动机热交换器88。
冷却剂然后沿箭头120方向通过导管98。在冷却剂进入发动机罩90之前,它与已经通过空气压缩机热交换器92的冷却剂相混合。流出空气压缩机热交换器92的冷却剂具有约104C(220°F)的温度和9kg/min(20lbs./min.)的流速。通过空气压缩机热交换器92的冷却剂吸收约211kj/min.(200Btu/min.)。因此,进入发动机罩90的冷却剂具有约92C(198°F)的温度和196kg/min.(432lbs./min.)的流速。
通过发动机罩90的冷却剂吸收5.34Mj/min.(5060Btu/min.)。通过出口152从发动机罩90向导管100中排空的冷却剂以约99C(210°F)的温度和196kg/min.(432lbs./min.)的流速进行。紧接冷却剂流出泵94之后,冷却剂分到导管102、104中,导管102返回到空气压缩机热交换器92,并且导管104返回到散热器38的第一部分的第二口或入口50。
通过入口50进入散热器38的冷却剂温度约99C(210°F),流速为187kg/min.(412lbs./min.)。散热器38的第一部分40允许6.67Mj/min.(6341Btu/min.)排出到周围环境(约49C(120°F))中,因此使冷却剂的温度降到91C(195°F)。
在第二回路46中,冷却剂以63C(146°F)的温度和30.5kg/min.(67lbs./min.)的流速流出散热器38的第二部分42的第一口或出口52。冷却剂通过入口188进入变换器热交换器108,其中冷却剂吸收510kj/min.(484Btu/min.)。这样使在出口192流出变换器108的冷却剂的温度升高到67C(152°F)。散热器38的第二部分42允许510kj/min.(484Btu/min.)排出到周围环境中,以使冷却剂的温度返回到63C(146°F)。
因此,认识到在操作期间,在散热器38的出口48、52处,在第一回路44中循环的冷却剂的温度比第二回路46中循环的冷却剂的温度约高27C(49°F),并且在散热器38的入口50、54处约高32C(57°F)。因此,热交换系统36对与发动机24有热交换关系的第一回路44,以相对周围环境比第二回路46充分高的温度差别提供热排出,同时还允许第二回路46中的冷却剂保持在充分低的温度,以保护变换器30。
虽然已经表示第一冷却剂从口48到口50流过第一回路44,并且第二冷却剂从口52到口54流过第二回路,但是认识到在任一个或两个回路中冷却剂的流动可能反向。如果使一种或两种冷却剂的流动反向,那么可能必须改变泵94、110相对口的位置,以便使泵94保持连接在发动机罩90与第一回路散热器入口之间,并且使泵110保持连接在第二回路散热器出口与变换器热交换器108的入口188之间。
研究本说明书、附图和附加权利要求,能获得本发明的其他方面、目的和优点。