СИСТЕМА И УСТРОЙСТВО, СОДЕРЖАЩИЕ ОБЪЕДИНЕННЫЕ КОНДЕНСАТОР И ИСПАРИТЕЛЬ
SYSTEM AND DEVICE INCORPORATING INTEGRATED CONDENSER AND EVAPORATOR

Область техники
Настоящее изобретение в целом относится к компрессорной системе с замкнутыми контурами хладагента, предназначенной для охлаждения и/или нагрева, которая содержит, по меньшей мере, конденсатор и испаритель. Изобретение в частности относится к системе и устройству для охлаждения и/или нагрева внутреннего пространства транспортного средства, и, в особенности, пространства/кабины водителя коммерческого/тяжелого транспортного средства с откидной кабиной. В особенности изобретение относится к компрессорной системе, которая содержит, по меньшей мере, дополнительный вторичный контур низкого давления, который передает холод/тепло посредством воды и/или гликоля, или некоторых других подходящих сред, передающих тепло или холод.
Уровень техники
Системы кондиционирования воздуха в транспортных средствах, как известно, обычно содержат конденсатор с воздушным охлаждением, расположенный внутри или около передней части транспортного средства, испаритель, расположенный где-то в кабине транспортного средства, например, внутри или под приборной панелью, и трубопроводы или шланги, которые присоединяют эти компоненты к герметизированной системе под давлением, которая обычно также содержит расширительное средство, сухой газоочиститель или аккумулятор, и компрессор. Ряд различных газов может быть использован в качестве хладагента. В случае транспортного средства в качестве хладагента часто используется R134a.
2
2
В последнее время в качестве хладагента стал часто использоваться диоксид углерода (СО, называемый R744). Он представляет собой легкодоступный, неопасный, невоспламеняющийся и невзрывоопасный газ, который наносит очень ограниченный ущерб или никакого ущерба, если он протекает в атмосферу. Недостатком СО в качестве хладагента является то, что компрессорная система должна работать под давлениями выше нормальных для достижения достаточной эффективности в охлаждающей системе. Повышенное давление увеличивает риск утечки из шлангов, трубопроводов и соединений. Шланги никогда не являются полностью герметичными, так как через резиновый материал всегда происходит утечка в некотором количестве.
Проблема утечки особенно очевидна в транспортных средствах с откидными кабинами. Для применения в таких транспортных средствах обычно требуются более длинные шланги/трубопроводы и/или больше соединений для обеспечения возможности присоединения охлаждающего элемента в кабине к другим частям охлаждающей системы, которые обычно расположены в пространстве двигателя транспортного средства, и в то же время для обеспечения возможности откидывания кабины. Если на стороне хладагента, которая находится под большим давлением, используются длинные шланги и трубопроводы, и множество соединений, то присутствует постоянный риск утечки. В таких применениях нередким и преимущественным является использование дополнительного охлаждающего цикла, так называемого вторичного цикла, то есть, присоединение дополнительного охлаждающего контура низкого давления с водой и/или гликолем в качестве среды, передающей холод, к испарителю компрессорной системы через жидкостный теплообменник. Факт того, что давление в этом контуре значительно ниже, уменьшает риск утечки.
2
Таким образом, жидкость, обычно представляющая собой воду, охлаждается в испарителе контура хладагента и закачивается в кабину и в охлаждающий элемент, расположенный в ней, который сам охлаждает воздух в кабине посредством вентилятора. Жидкость должна сохранять температуру чуть выше ноля градусов. Если она холоднее, чем ноль градусов, то конденсат, который образуется в охлаждающем элементе кабины, замерзнет и, таким образом, ухудшит работу охлаждающей системы. Таким образом, холод переключается с первичного контура хладагента, содержащего СО или некий другой подходящий хладагент, на контур, содержащий иную текучую среду, давление которой ниже, следовательно, с меньшим риском утечки.
Вторичный цикл также может быть преимущественно использован, если используются огнеопасные хладагенты, так как риск утечки таких субстанций внутрь кабины водителя будет нежелателен. Примерами таких огнеопасных хладагентов являются пропан и R152a, которые используются несмотря на их огнеопасность, так как они рассматриваются, как более эффективные, чем, например, чаще используемый R134a.
2
В промышленности, кораблях и в других ситуациях, в которых охлаждающая вода доступна неограниченно, конденсатор контура хладагента обычно тоже охлаждается водой. В транспортных средствах это не просто выполнить, поскольку доступной водой является охлаждающая вода двигателя, которая обычно рассматривается, как сохраняющая слишком высокую температуру для достижения оптимальной эффективности. Достижение достаточной эффективности посредством использования CO в качестве хладагента в компрессорной системе транспортного средства влечет за собой использование внутреннего теплообмена между холодной и теплой сторонами контура хладагента.
Следовательно, новые хладагенты иногда влекут за собой более высокие рабочие давления и, как было упомянуто ранее, некоторые хладагенты огнеопасны, но могут в результате обеспечивать лучшую производительность и эффективность охлаждающей системы, а также улучшенные экологические характеристики. Использовать хладагенты, которые влекут за собой высокое давление или огнеопасны, чрезвычайно сложно в случае транспортных средств с откидными кабинами. Риск утечки увеличивается, и желательно уменьшение риска утечки из шлангов и соединений, как для безопасности, так и для качества и по экологическим причинам. Следовательно, существует стремление к сведению к минимуму длины шлангов и количества соединений, в том числе, в первичном контуре хладагента.
В предшествующем уровне техники известны различные системы и решения для охлаждения откидной кабины водителя.
В описании изобретения согласно WO 2005/120868 описана обычная система кондиционирования воздуха, подходящая для транспортных средств с откидными кабинами. Целью является решение проблемы посредством использования диоксида углерода под высоким давлением и использования резиновых трубопроводов. Система расположена в шасси транспортного средства, и холодный или теплый воздух подается в кабину. Никакие жидкости и среды, передающие холод, не распределяются в кабину, и длина системы трубопроводов контура хладагента не становится более короткой.
Описание изобретения согласно US 6185957 относится к охлаждающей установке, использующей диоксид углерода, с испарителем, объединенным с некоторым видом внутреннего теплообменника. Как испаритель, так и конденсатор охлаждаются воздухом и образуют взаимно разделенные узлы. Система трубопроводов не сведена к минимуму.
В предшествующем уровне техники не определен способ эффективного уменьшения риска утечки в контуре хладагента компрессорной системы. Не определен способ достижения с достаточной эффективностью компрессорной системы, подходящей для хладагентов, которые влекут за собой высокие рабочие давления. Также в предшествующем уровне техники нет предварительного определения способа уменьшения габаритов, уменьшения производственной стоимости и облегчения монтажа компрессорной системы и составляющих ее деталей.
Цели и наиболее важные характеристики изобретения
Целью изобретения является решение упомянутых проблем и разработка системы и устройства для эффективного охлаждения и/или нагрева, влекущих за собой уменьшенный риск утечки хладагента.
Дополнительной целью изобретения является разработка устройства, которое выполнено с возможностью использования хладагентов, влекущих за собой высокие рабочие давления и в то же время обеспечивающих хорошую эффективность.
Дополнительной целью изобретения является разработка системы и устройства, которые являются компактными и сводят к минимуму длину трубопроводов и шлангов, и сводят к минимуму количество соединений.
Дополнительной целью изобретения является сведение к минимуму количества отдельных деталей в компрессорной системе и предложение простого компактного узла, выполненного с возможностью простого монтажа в транспортное средство и обеспечения сокращения времени сборки во время изготовления.
Дополнительной целью изобретения является облегчение получения как охлажденной, так и нагретой воды из единого компактного узла.
Упомянутые выше и последующие цели достигаются согласно изобретению посредством системы и устройства согласно признакам, указанным в пунктах 1 и 16 формулы изобретения.
Вкратце, изобретение включает в себя, по меньшей мере, один конденсатор и испаритель контура хладагента, объединенные и выполненные с возможностью образования взаимно совмещенного узла, предпочтительно, в виде пластинчатого теплообменника, в котором чередующиеся пластины, как правило, передают охлаждающую воду, и другие пластины передают хладагент. По меньшей мере, один внутренний теплообменник, то есть, теплообменник, который осуществляет теплообмен между сторонами высокого и низкого давления контура хладагента, может быть совмещен в объединенном узле. Это означает, что используется меньше соединений, исключаются некоторые шланги и обеспечиваются трубопроводы уменьшенной длины. Компактный контур хладагента также предоставляет такие преимущества, как уменьшенный перепад давления и лучшая эффективность. Расширительное средство, выполненное в виде неподвижного сужения, может быть предусмотрено, например, посредством выдавливания, в одной или более пластинах узла для того, чтобы уменьшить количество потенциально протекающих соединений и трубопроводов/шлангов. В объединенном узле также могут быть предусмотрены трубные соединения таким образом, что регулируемый расширительный клапан может быть надежно привинчен снаружи узла. Факт того, что поток между пластинами в теплообменнике может быть отрегулирован по требованию, обеспечивает возможность достижения внутреннего теплообмена между холодной и теплой сторонами контура хладагента с частично испаренным, полностью испаренным или перегретым газом на стороне низкого давления. Сухой газоочиститель может быть смонтирован внутри или после конденсатора таким же образом, как это обычно делается в современных разделенных системах, и если вместо этого используется аккумулятор, он может быть расположен внутри или после испарителя.
Испаритель нагревается водой и/или гликолем, которые, охлажденные таким образом, затем закачиваются в кабину и в охлаждающий элемент, расположенный там, и, таким образом, воздух в кабине охлаждается. Конденсатор также охлаждается либо относительно холодной смесью воды/гликоля из двигателя, либо жидкостью, которая была использована для охлаждения охлаждающего элемента кабины. Охладитель воды, расположенный в передней части транспортного средства, может быть необходим для понижения температуры гликолевой смеси, когда она была нагрета конденсатором.
Дополнительные признаки и преимущества изобретения обозначены посредством более подробного описания изобретения, приведенного ниже, прилагаемых чертежей и других пунктов формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Изобретение описано ниже более подробно в виде ряда примеров предпочтительных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 изображена схематично компрессорная система согласно изобретению с испарителем и конденсатором, объединенными во взаимно совмещенном общем узле.
На фиг.2 изображен в перспективе совмещенный узел согласно фиг.1 в виде пластинчатого теплообменника.
На фиг.3 изображен схематично первый вариант осуществления объединенного узла согласно изобретению с внутренним теплообменником.
На фиг.4 изображен схематично второй вариант осуществления объединенного узла согласно изобретению с еще одним видом внутреннего теплообменника.
На фиг.5 изображен схематично третий вариант осуществления объединенного внутреннего теплообменника.
На фиг.6 изображен воображаемый схематичный разрез объединенного узла согласно изобретению, на котором изображены внутренние теплообменники согласно фиг.5.
На фиг.7 изображен воображаемый схематичный разрез объединенного узла согласно изобретению с совмещенным сужением, в данном случае выдавленном в одной или более пластинах узла.
На фиг.8 изображен в перспективе объединенный узел с совмещенным сужением, то есть, узел не имеет внешних трубопроводных соединений для расширительного средства.
На фиг.9 изображен в перспективе объединенный узел как с совмещенным аккумулятором, так и с совмещенным сужением.
На фиг.10 изображен в перспективе объединенный узел для внешнего расширительного клапана и совмещенного сухого газоочистителя.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
2
Таким образом, на фиг.1 изображена компрессорная система 1 согласно изобретению. Она содержит в данном конкретном случае три различных контура. Первый контур, представляющий собой первичный контур 2 хладагента, содержит компрессор 3, конденсатор 4, сухой газоочиститель 5, расширительное средство 6 и испаритель 7. Эти компоненты соединены друг с другом посредством системы трубопроводов, и контур 2 в целом герметично уплотнен и содержит хладагент, например, CO, посредством которого он работает под давлением.
Расширительное средство 6 может быть выполнено в виде регулируемого расширительного клапана или неподвижного сужения. В компрессорных системах, в которых используется расширительный клапан, важно, чтобы расширительный клапан постоянно обеспечивался текучей средой. Следовательно, вверх по потоку от расширительного клапана 6 расположен сухой газоочиститель 5, имеющий выход в днище своего контейнера (не изображено). Таким образом, это обеспечивает то, что расширительный клапан 6 всегда снабжается текучей средой и, следовательно, работает правильно.
Второй контур 8, представляющий собой охлаждающий контур, содержит первый насос 9 низкого давления, первый теплообменник 10 и радиатор 11 низкого давления, например, с воздушным охлаждением. Теплообменник 10 взаимодействует с конденсатором 4 первичного контура хладагента. Этот второй контур 8 содержит воду или смесь воды и гликоля. Насос 9 обеспечивает поток в контуре 8 таким образом, что вода нагревается конденсатором 4 в теплообменнике 10 и подается в радиатор 11, в котором тепло отдается окружающей среде через поток воздуха, возможно, при содействии вентилятора. Радиатор 11 может быть расположен у передней части транспортного средства, где воздух все еще проходит, когда транспортное средство движется.
Третий контур 12, представляющий собой охлаждающий контур, содержит второй насос 13 низкого давления, охлаждающий элемент 14 и второй теплообменник 15. Теплообменник 15 взаимодействует с испарителем 7 первичного контура хладагента. Контур 12 содержит воду или смесь воды и гликоля. Насос 13 обеспечивает поток в контуре 12 таким образом, что вода охлаждается в теплообменнике 15 испарителем 7 контура хладагента и затем подается в охлаждающий элемент 14, в котором охлаждается проходящий воздух, например, при содействии не изображенного вентилятора. Охлаждающий элемент 14 может быть расположен в подходящем месте пространства/кабины водителя коммерческого транспортного средства с целью поддержания внутри кабины прохладного воздуха независимо от температуры окружающей транспортное средство среды.
Согласно изобретению, конденсатор 4 с водяным охлаждением и испаритель 7 с водяным охлаждением объединены в едином узле, то есть, конденсатор 4 и испаритель 7 совмещены в едином узле 16 вместе с соответствующими теплообменниками 10, 15. Совмещенный узел 16 обозначен пунктирной линией.
На фиг.2 изображен вид узла 16 согласно изобретению с объединенными/совмещенными испарителем 7 и конденсатором 4. В данном случае узел 16 выполнен в виде, по существу, прямоугольного пластинчатого теплообменника, у которого предусмотрено некоторое количество пластин 17, которые образуют некоторое количество взаимно разделенных каналов. Узел 16 имеет трубопроводные соединения 18a-h для присоединения внешних компонентов и контуров, которые образуют часть системы, изображенной на фиг.1. Таким образом, хладагенты и охлаждающие жидкости текут в узел 16 и из узла 16 через эти трубопроводные соединения 18a-h, некоторые из которых, 18g, h, расположены для внешнего присоединения сухого газоочистителя 5 и/или расширительного клапана 6. Узел 16 в действительности может содержать намного больше пластин 17, чем изображено в настоящем документе, и может быть сконструирован таким образом, что хладагент может проходить несколько раз из стороны в сторону рядом с соответствующей охлаждающей жидкостью перед тем, как он выводится из узла 16, с целью достижения наивысшей возможной эффективности системы 1.
На фиг.3 изображена система 1 изобретения согласно фиг.1, но в этом случае с внутренним теплообменником 19, выполненным с возможностью увеличения эффективности системы 1 и обеспечения возможности и простоты использования, например, диоксида углерода в качестве хладагента. В принципе, внутренний теплообменник 19 выполнен с возможностью теплообмена между холодной и теплой сторонами контура 2 хладагента. Следовательно, холодный частичный контур 20 внутреннего теплообменника 19 присоединен между выходом 18е испарителя 7 и входом компрессорной системы 3 со стороны всасывания компрессорной системы, и другой теплый частичный контур 21 внутреннего теплообменника 19 присоединен между выходом 18h конденсатора 4 и входом сухого газоочистителя 5. Результатом этого является теплообмен между хладагентами, которые выходят соответственно из конденсатора 4 и из испарителя 7, то есть, остаточное тепло в хладагенте из конденсатора 4 нагревает хладагент из испарителя 7, или, другими словами, хладагент, подаваемый в компрессор 3, становится теплее, и хладагент, подаваемый в сухой газоочиститель 5, становится холоднее.
На фиг.4 изображен альтернативный вариант осуществления внутреннего теплообменника 19. В этом случае холодный частичный контур 20 внутреннего теплообменника присоединен таким же образом, как изображено на фиг.3, но его теплый частичный контур 21, вместо этого, присоединен между выходом первого насоса 9 и входом 18b первого теплообменника 10. Таким образом, охлаждающая жидкость из радиатора 11 низкого давления дополнительно охлаждается перед тем, как она входит в первый теплообменник 10, который сам по себе осуществляет охлаждение конденсатора 4. Хладагент, подаваемый в компрессор 3, нагревается таким же образом. Достигается лучшая эффективность.
На фиг.5 изображен дополнительный альтернативный вариант осуществления внутреннего теплообменника 19. На ней показано, как внутренние теплообменники 19 согласно фиг.3 и 4 могут быть объединены и использованы одновременно. Внутренний теплообменник 19 согласно этому варианту осуществления имеет холодный частичный контур 20 и два теплых частичных контура 22, 23, расположенных последовательно друг за другом. Холодный частичный контур 20 присоединен так же, как на фиг.3. Первый теплый частичный контур 22 присоединен между выходом 18h конденсатора 4 и входом сухого газоочистителя 5. Второй теплый частичный контур 23 присоединен между насосом 9 второго контура 8 и входом в теплообменник 10 второго контура 8. Посредством этого объединенного внутреннего теплообменника 19 достигается дополнительное улучшение эффективности в системе.
На фиг.6 изображена компрессорная система 1 согласно изобретению и, более конкретно, разрез совмещенного узла 16, выполненного в виде пластинчатого теплообменника. На ней показано, на что может быть похож на практике внутренний теплообменник 19 согласно фиг.5. Некоторое количество горизонтально расположенных пластин 17 направляет обозначенный стрелками поток хладагента и двух охлаждающих жидкостей через узел. Конденсатор 4 и испаритель 7 разделены друг от друга разделительной стенкой 24. Таким образом, хладагент и две охлаждающие жидкости проходят через каналы, образованные обычным способом между пластинами 17 и, в некоторых случаях, через пластины 17. Текучие среды проходят совсем рядом друг с другом, но разделены материалом пластин 17. Таким образом, текучие среды текут, по существу, в том же направлении, в котором ориентированы пластины 17, и между текучими средами происходит теплообмен через стенки пластин 17. Следовательно, на поток влияет форма/рельеф пластин 17, что приводит к большому количеству возможных разновидностей. Разделительная стенка 24 между конденсатором 4 и испарителем 7 может проводить тепло/холод и, таким образом, составляет внутренний теплообменник 19, который допускает теплообмен между охлаждающей жидкостью, которая выходит из радиатора 11, и хладагентом в испарителе 7.
Одна или более пластин 17 могут также быть выполнены с возможностью, допускающей прохождение хладагента в испарителе 7 по каналу 25 через разделительную стенку 24 от испарителя 7 к конденсатору 4. Канал 25 образован двумя или более пластинами 17a-c и направляет хладагент в промежуток между каналами, которые образуют часть конденсатора 4. Таким образом, достигается внутренний теплообмен согласно схематичному изображению на фиг.3.
Разделительная стенка 24 между конденсатором 4 и испарителем 7 также может быть изолирована, в таком случае отсутствует потребность наличия внутреннего теплообменника, то есть, того, который схематично изображен на фиг.4.
На фиг.7 изображена компрессорная система 1 согласно изобретению, но с неподвижным сужением 27, совмещенным в объединенном узле, вместо устанавливаемого снаружи регулируемого расширительного клапана. Сужение 27 может быть выдавлено в одной или более пластинах 17b-c объединенного узла и осуществляет понижение давления в контуре хладагента системы. Совмещение уменьшает количество потенциально протекающих соединений и трубопроводов/шлангов.
Жидкости, по существу, являются несжимаемыми, так что для предотвращения попадания смеси жидкости/газа в компрессор 3 и ухудшения его работы, между испарителем 7 и компрессором 3, то есть, выше по потоку от компрессора 3 расположен контейнер, так называемый аккумулятор 28. Выход находится наверху аккумулятора 28, что означает, что он всегда подает газ, а не жидкость. Аккумулятор 28 может также содержать фильтр и осушающее средство (не изображено). Сужение 27 также может быть выполнено в виде короткой трубы с маленьким, соответствующим техническим требованиям и четко определенным внутренним диаметром (не изображено).
На фиг.8 изображен узел 16 изобретения согласно фиг.7 с расширительным средством, сужением 27, которое совмещено (и поэтому не изображено). Таким образом, отсутствует потребность в наличие внешних трубопроводных соединений 18g, h согласно фиг.2 для присоединения внешнего расширительного клапана.
На фиг.9 изображен узел 16 изобретения согласно фиг.5. Как расширительное средство/сужение, так и сухой газоочиститель/аккумулятор 28 совмещены в объединенном узле 16, и отдельные трубопроводные соединения для этих компонентов отсутствуют, за исключением выхода аккумулятора 28, который должен быть присоединен к компрессору 3.
На фиг.10 изображен вариант осуществления узла 16 согласно изобретению с соединениями 18g, h для расширительного средства, расширительным клапаном (не изображен) и с совмещенным сухим газоочистителем 5. Иногда может быть преимущественной возможность использования внешнего расширительного клапана, который может регулироваться так, что система может быть тонко отрегулирована для оптимальной эффективности.
Изобретение описано выше со ссылкой на ряд различных предпочтительных вариантов осуществления. Конечно же, изобретение не ограничено этими вариантами осуществления, которые следует рассматривать только в качестве примеров. Следовательно, другие варианты изобретения возможны в полной мере в рамках объема охраны формулы изобретения. Таким образом, например, объединенный узел может быть выполнен не в форме пластинчатого теплообменника, но может быть сформирован с использованием какой-нибудь другой технологии теплообменников. Объединенный узел также преимущественно может быть установлен непосредственно рядом с компрессором или совмещен с компрессором с целью дополнительного уменьшения количества шлангов и соединений. Результатом может являться узел, в котором предусмотрен ременный шкив на одном конце и выходы для теплой или холодной воды на его другом конце. Следовательно, возможно, что система согласно изобретению также является подходящей для нагрева воздуха, например, в кабине транспортного средства.