專利名稱：空調(diào)系統(tǒng)用的換熱器裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空調(diào)系統(tǒng)用的，特別是汽車車廂內(nèi)或其它車輛車廂內(nèi)空調(diào)用的換熱器裝置。
包括熱電冷卻單元的汽車用空調(diào)系統(tǒng)已公開于美國專利NO．3，236，056以及瑞典專利申請NO．8704395中。這些文件中所公開的空調(diào)系統(tǒng)包括一或多個熱電單元，它們夾裝在矩形橫截面的直的水管之間并構(gòu)成傳熱回路的一部分。
已知的這種空調(diào)系統(tǒng)具有較小的冷卻能力，這可能就是上述文件對于必須為此種系統(tǒng)的熱電單元提供電能的能源保持緘默的原因。這樣的能源顯然應(yīng)該是其中已裝有這類空調(diào)系統(tǒng)的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)汽車內(nèi)業(yè)已存在的標(biāo)準(zhǔn)電池與供電系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的在于提供用于上述類型空調(diào)系統(tǒng)中的換熱器裝置，利用它可以顯著地提高空調(diào)系統(tǒng)的能力和／或效率。
本發(fā)明的換熱器裝置包括第一與第二換熱器元件，它們在其中為傳熱介質(zhì)限定出獨立的第一與第二流動通道；以及熱電單元，例如所謂的珀爾迪元件，它們設(shè)在上述第一和第二換熱器元件之間，并各自具有與第一和第二換熱元件作導(dǎo)熱接觸的相對的加熱表面和冷卻表面；本發(fā)明的換熱器裝置的特征在于，所述各換熱器元件在其中界定出一條曲折的流道而此流道的長度是上述換熱器元件最大尺寸的若干倍；或是界定出許多共同延伸的獨立流道，其中的每個獨立流道的橫截面積都很小。
本發(fā)明的換熱器裝置能確保在有效地冷卻熱電單元的加熱側(cè)的同時，有效地加熱這些單元的冷卻側(cè)，由此可以提高空調(diào)系統(tǒng)的總體熱效率。此外，通過采用適當(dāng)個數(shù)的熱電單元并相應(yīng)地設(shè)定換熱器裝置的尺寸，可使空調(diào)系統(tǒng)的能力與所需要的相符。
在這種換熱器元件中任何一個內(nèi)所形成的流道可以包括兩或多個曲折的共同延伸的流道或是多條沿?fù)Q熱器縱向延伸的基本上是直的流道。舉例來說，各個換熱器元件可以限定出一或獨立的幾條基本覆蓋接觸熱電單元件整個區(qū)域的曲折流道，或是一批沿?fù)Q熱器元件的縱向延伸的相鄰的獨立流道。為了獲得基本上是相同的效果，此一或多條流道的橫截面積或總的橫截面積在這不論哪一種情形下都應(yīng)基本上相同。
所述熱電單元例如可以是Marlow工業(yè)公司出售的，如型號為SP1996的。
原則上說，這種換熱器裝置可取任何能允許所選個數(shù)的熱電單元得以夾裝在換熱器元件之間的合適形狀。但在最佳實施形式中，此種換熱器元件則具有扁平的塊狀形，從而允許相對于換熱器裝置的總?cè)莘e可在此裝置內(nèi)包括最多個數(shù)的熱電元件。
從平面圖上看，上述換熱器元件可取任何適當(dāng)形狀。但各換熱器元件最好是細(xì)長形，而且可以取例如是矩形。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，當(dāng)各個換熱器元件的因而是熱交換裝置的縱向最大尺寸顯著地超過此元件或裝置的橫向最大尺寸時，可以改進(jìn)換熱器的效率。這樣，這里的長度或縱向尺寸可約為橫向尺寸或?qū)挾鹊膬杀痘蚋唷?br> 當(dāng)所述流道或幾條流道(即各個換熱器元件限定出兩或多條獨立的共同延伸的流道時)的橫截面積同此換熱器元件接觸熱電單元或珀爾迪元件的面積之比是在0．4×10-3和0．2之間，而最好是在1×10-3與40×10-3之間時，可使此換熱器裝置獲得最佳的效率或最佳的有效系數(shù)，在本最佳實施例中所述比值在2．5×10-3與7．5×10-3之間。
上述曲折的流道例如可以通過鉆孔和堵塞鉆出的通道的某些開口端而形成于塊形金屬試樣中。但這種在所述第一和第二換熱器元件中至少一個之內(nèi)的流道最好是形成在此種元件側(cè)面中的通道或槽。形成有通道或槽的側(cè)面則可用任何適當(dāng)?shù)姆绞?，例如用膜或箔蓋住或封住而形成曲折的流道?？梢杂猛瑯拥姆椒ɑ驍D壓換熱元件來形成直的流道。
在最佳實施形式中，此第一與第二流道是形成在第一與第二換熱器元件的相對而鄰近的側(cè)面上。然后可用蓋板或箔至少沿各換熱器元件的邊界封住各元件中的槽或通道。再把這種板狀的熱電元件或珀爾迪(Peltier)元件例如用導(dǎo)熱糊劑或粘合劑固定于第一與第二換熱器元件的蓋板之間。也可以用或另外再使用可松釋的緊固裝置如螺絲或螺栓將的蓋板之間。也可以用或另外再使用可松釋的緊固裝置如螺絲或螺栓將這些換熱器元件夾合到一起，這樣就能在換熱器元件和夾裝于其中的熱電單元之間調(diào)節(jié)出最佳的單位接觸壓力。
限定在換熱器元件中的曲折流道可以取任何所需的形狀，來確保在流過此流道的通常為水或含水流體的導(dǎo)熱介質(zhì)和熱電單元相鄰側(cè)面之間能良好的傳熱。但最好是使第一與第二流道中的至少一個取一或多個曲折構(gòu)型，這已得到證明是特別有效的。
由換熱器元件所限定的各個流道有入口和出口，它們可以設(shè)在元件的任何適當(dāng)位置上。各個換熱器元件最好把入口與出口設(shè)在同一端。例如，第一換熱器元件可使其入口與出口設(shè)在一端，而第一換熱器元件則可使其入口與出口位于換熱器裝置的相對端。在此情形下，空調(diào)系統(tǒng)的用于傳熱介質(zhì)的回路必須只同換熱器裝置的一端連接。
各個換熱器元件可呈大致長方體的輪廓，而各元件中限定的流道則可以在換熱器元件的各端包括一橫向延伸的曲折形流道段，后者又與一縱向延伸的彎折形流道段相連。這種流道構(gòu)型已證明是特別有效的。
本發(fā)明的換熱器裝置可取任何所需的尺寸與形狀，使得能在換熱器元件中夾裝所需個數(shù)的熱電單元或珀爾迪元件。據(jù)此可以使包括有這種換熱器的空調(diào)系統(tǒng)獲得任何所需的冷卻能力。
當(dāng)這種換熱器裝置包括許多個熱電單元或珀爾迪元件時，最好將它們分成若干組，各組中的熱電單元則加以電氣串聯(lián)而各個組之間則相互電氣關(guān)聯(lián)。這樣布置的優(yōu)點是當(dāng)某個組中有一個熱電單元萬一被擊穿時，只是這個組失效。
盡管包括本發(fā)明的換熱器裝置的空調(diào)系統(tǒng)有頗高的熱效率，但標(biāo)準(zhǔn)汽車中的標(biāo)準(zhǔn)供電系統(tǒng)在需要有良好的冷卻能力時則常不能充分地提供電能，對于此換熱器裝置的熱電元件也是如此。這樣就必須從包括由進(jìn)行空調(diào)的車輛的發(fā)動機(jī)所驅(qū)動的電流發(fā)生器在內(nèi)的獨立供電系統(tǒng)，來給換熱器裝置的熱電單元供電。
為獲得熱電單元最大的功能，應(yīng)該使在熱電單元加熱側(cè)相鄰流道中流動的流體的傳熱能力，顯著地超過在鄰近熱電單元冷卻側(cè)流道中流過的介質(zhì)的傳熱能力。為達(dá)到此目的，可以用三個疊置的換熱器元件來形成換熱器裝置，而形成在兩個外部元件中的流道則相互連接。然后可將熱電單元設(shè)置在內(nèi)部的換熱器元件與任何一個外部元件之間，使熱電單元的加熱側(cè)與兩個外部元件接觸，而以其冷卻側(cè)與內(nèi)部的換熱器元件接觸。不過在這一最佳實施例中，此換熱器裝置只包括一對換熱器元件，而與熱電單元加熱側(cè)相鄰的流道的長度這時可以比與熱電單元冷卻側(cè)相鄰的其它流道的長。
換熱器元件應(yīng)由具有良好導(dǎo)熱性的材料制成。例如，第一與第二換熱器元件最好由鋁、銅和／或它們的合金制成。
本發(fā)明還提供用于室內(nèi)，例如用于車輛車廂內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)包括上述的本發(fā)明的換熱器裝置，此裝置的第一與第二流道分別包括在第一與第二封閉的液體回路中，每條液體流道包括散熱器和用來使液體通過其中循環(huán)的裝置。這類散熱器之一可以設(shè)在采用了上述空調(diào)的室內(nèi)，而另一則設(shè)在室外。當(dāng)把這種空調(diào)系統(tǒng)用來調(diào)節(jié)車廂內(nèi)的空氣時，前述液體回路之一可以包括用于驅(qū)動此車輛的內(nèi)燃機(jī)的液冷系統(tǒng)的一部分。車廂內(nèi)的散熱器可以有選擇地由來自驅(qū)動發(fā)動機(jī)的熱水或來自換熱器裝置的冷水供給。
下面參考附圖詳述本發(fā)明，在附圖中

圖1概示汽車用的本發(fā)明的空調(diào)系統(tǒng)；圖2是以放大比例示明的換熱器裝置的頂視平面圖；圖3是沿圖2中Ⅲ-Ⅲ線的縱剖面視圖；圖4是沿圖2中Ⅳ-Ⅳ線的橫剖面視圖；圖5與6是平面圖，示明圖2～4中所示換熱器裝置各元件中形成的液體通道的平面圖，而圖7概示了圖1所示系統(tǒng)的改進(jìn)了的實施例。
圖1概示了業(yè)已安裝在具有驅(qū)動內(nèi)燃機(jī)10的標(biāo)準(zhǔn)汽車中的空調(diào)系統(tǒng)。發(fā)動機(jī)10驅(qū)動一另設(shè)的電流發(fā)生器11給電路12供給電流，此電路包括通／斷開關(guān)13、一對繼電器14、一對保險絲15和一個點火開關(guān)16。此汽車的廂內(nèi)加熱系統(tǒng)包括封閉的冷卻水回路17，后者則包括發(fā)動機(jī)10的冷卻水套和散熱器18，后者設(shè)在汽車的車廂內(nèi)并同一鼓風(fēng)機(jī)或風(fēng)扇19相結(jié)合。車廂內(nèi)的空氣可以通過控制風(fēng)扇9以常規(guī)的方式加熱，同時熱的冷卻水流通過散熱器18循環(huán)。
冷卻水用的第二水回路20包括水泵21，而螺線管閥22與部分水回路17連接以包括上述車廂散熱器18，此第二水回路20還包括圖2～6中所示并將在后面說明的換熱器裝置23的冷流通道。
圖1所示的空調(diào)系統(tǒng)還包括第三封閉的液體回路24，后者包括換熱器裝置23的熱流通道23、循環(huán)泵25、設(shè)在車廂之外并結(jié)合有吹風(fēng)機(jī)或風(fēng)扇27的散熱器26以及液體膨脹池28。前述車廂散熱器18還可以借助螺線管閥29與發(fā)動機(jī)10的水冷外套脫開。
下面來更詳細(xì)地描述換熱器裝置23。裝置23包括一對由金屬例如鋁制的板狀元件30和31。在各個元件30與31的側(cè)面中形成有曲折的通道或槽32與33。形成于元件30中的通道包括設(shè)在基本上呈矩形的元件的一端處的彎曲形通道段34、設(shè)在此元件相對端處的相應(yīng)的彎曲形通道段35、以及一相互連接的縱向延伸的彎曲形通道段36。端部通道段35與一液體入口37連接，而端部通道段34則經(jīng)由一縱向延伸的直通道段39與液體出口38通連。沿元件30的周邊設(shè)有通孔40而沿著元件30的中心線設(shè)有通孔41。在通道段34～36的外側(cè)形成有用來納置密封環(huán)或圈的環(huán)形槽42。
除了板狀件31中的通道33的總長顯著地大于元件30中通道32的總長這一事實外，元件30與31是相似的。因此，圖6中所用的標(biāo)號與圖5中的相同。但在圖6中于標(biāo)號的右上角加有一撇。
各個板狀元件30與31中的通道或槽32與33分別覆蓋有薄的導(dǎo)熱蓋板43與44，蓋板的每一塊分別與位于密封圈槽42與42′中的密封墊或密封環(huán)作密封配合。如圖3與4所示，在蓋板43與44之間夾設(shè)著若干板狀珀爾迪元件45組成的裝置，得以基本覆蓋住密封墊槽42內(nèi)的整個區(qū)域。元件30與31以及它們的蓋板43與44還有設(shè)在它們之間的珀爾迪元件，由穿過對準(zhǔn)的孔40、40′與41、41′的螺栓46或類似的可松釋緊固裝置夾緊到一起。
珀爾迪元件最好用Marlow工業(yè)公司出售的SP1996型的這種。所述換熱器裝置，例如可包括有十二個珀爾迪元件，它們可分為六組，每組包括一對串聯(lián)的元件。這六組珀爾迪元件中的各組則相互并聯(lián)地進(jìn)入電流供應(yīng)電路12，使得板狀元件30位于珀爾迪元件45的冷卻側(cè)上，而使板狀元件31位于珀爾迪元件的加熱側(cè)上。
圖5與6中所示的彎曲通道或槽32與33可以由在各個元件縱向中延伸的若干直的，基本上平行的獨立通道置換。此時，圖4所示各通道或槽的橫截面積要小得多。當(dāng)這種通道或槽是直的時，各個元件30與31以及相應(yīng)的蓋板43或44可通過擠壓作為相關(guān)的部分形成。
換熱器裝置23最好是隔熱的并由吸振裝置支承。隔熱的裝置，例如，可用泡沫塑料，后者還起到吸振作用。
圖1所示的空調(diào)系統(tǒng)的作業(yè)情況如以下所述。當(dāng)通／斷開關(guān)13處于其“斷開”位置時，螺線管閥29在閥22關(guān)閉時即打開。在此狀態(tài)下，車廂散熱器18與吹風(fēng)機(jī)19可以按通常方式加熱廂內(nèi)的空氣。
當(dāng)將開關(guān)13移至其“接通”位置時，閥29關(guān)閉而閥22打開，同時電流供給換熱器裝置23的珀爾迪元件45、泵21與25以及風(fēng)扇27。第二水回路20中的水此時將循環(huán)通過換熱器裝置23中通道32所限定的流道，借此使水以實際上屬周知的方式由珀爾迪元件45有效地冷卻。流過車廂散熱器18的冷水現(xiàn)在將由吹風(fēng)機(jī)19冷卻在車廂內(nèi)循環(huán)的空氣。與此同時，珀爾迪元件45的加熱側(cè)將通過泵25，由在包括有換熱器裝置23的通道33的第三水回路24中循環(huán)的水或其它液體冷卻。從換熱器裝置23中除去的熱經(jīng)外側(cè)散熱器26釋放到外部空氣中。
在圖7所示的空調(diào)系統(tǒng)中，與圖1中所示類似的部件已用相同的標(biāo)號指明。在圖7所示的實施例中。第二水回路設(shè)置成與冷卻水回路17相獨立且包括與吹風(fēng)機(jī)19相對的獨立的散熱器47，還包括有液體膨脹池48。此外，所述系統(tǒng)的各種電氣裝置的工作由電控制單元49控制。應(yīng)知圖7所示的空調(diào)系統(tǒng)可以安裝到汽車之內(nèi)而不會妨礙此汽車中原有的電氣和冷卻系統(tǒng)。
圖2～6所示的換熱器裝置長330毫米、寬152毫米而總的厚度為51毫米。板狀件30中通道32的橫截面尺寸為9×14毫米而板狀件31中通道31的橫截面尺寸為6×14毫米。此換熱器裝置包括12個購自Marlow工業(yè)公司的SP1996型珀爾迪(Peltier)元件。這些元件分成相互并聯(lián)的六對，每對則取串聯(lián)形式。
在從車廂內(nèi)的顯著高于環(huán)境溫度的溫度冷卻下來的過程中，此換熱器裝置是在給珀爾迪元件施加27．2伏電壓的42．1安倍的直流電下工作。因此，功率消耗為1145瓦／小時。水或含乙二醇的水在此換熱器裝置的回路20與24中循環(huán)并通過相關(guān)的通道或槽32、33。通過珀爾迪元件冷卻側(cè)的通道32的流量在0．6～0．8巴壓力下為6升／分。由散熱器18導(dǎo)致車廂所能取得的冷卻速率相當(dāng)于1000瓦／小時。
強(qiáng)制通過包括有通道33在內(nèi)的液體回路24中的液體，是借助泵25，于0．6～0．8巴壓力下取6升／分的流量。
所述系統(tǒng)的有效系數(shù)可計算如下1000W×1001145W=87.4%]]>
權(quán)利要求
1．用于空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)的換熱器裝置，所述換熱器裝置(23)包括第一與第二換熱器元件(30，31)，它們限定出傳熱介質(zhì)用的獨立的第一與第二流道(32，33)；以及熱電單元(45)，它們設(shè)在上述第一和第二換熱器元件之間，并各自具有與此第一和第二換熱器元件作導(dǎo)熱接觸的相對的加熱表面和冷卻表面，其特征在于，所述各換熱器元件(30，31)在其中界定出曲折的流道(32，33)而此流道的長度是所述換熱器元件最大尺寸的若干倍；或是界定出許多共同延伸的獨立流道而其中每個獨立流道的橫截面積都很小。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的換熱器裝置，其中各個換熱器元件(30，31)都呈扁平的塊狀形。
3．根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的換熱器裝置，其中各個換熱器元件取細(xì)長的，最好是基本上呈矩形的形狀。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的換熱器裝置，其中各個換熱器元件的最大縱向尺寸顯著地超過其最大的橫向尺寸。
5．根據(jù)權(quán)利要求1～4中任一項的換熱器裝置，其中所述流道的橫截面積或總的橫截面積同此換熱器元件接觸熱電單元或珀爾迪元件的面積之比是0．4×10-3和0．2之間，而最好是在1×10-3與40×10-3之間。
6．根據(jù)權(quán)利要求5的換熱器，其中所述的比是在2．5×10-3與7．5×10-3之間。
7．根據(jù)權(quán)利要求1～6中任一項所述的換熱器裝置，在所述第一和第二換熱器元件(30，31)的至少一個之中的所述流道是形成在此換熱器元件側(cè)面中的通道或槽。
8．根據(jù)權(quán)利要求7所述的換熱器裝置，其中所述第一與第二流道是形成在第一與第二換熱器元件(30，31)的相對鄰近的側(cè)面上。
9．根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的換熱器裝置，其中所述各換熱器元件(30，31)中的通道或槽(32，33)是由沿?fù)Q熱器元件的邊界密封到此元件上的蓋板(43，44)所覆蓋。
10．根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的換熱器裝置，所述板狀件熱電單元(45)是設(shè)在第一與第二換熱器元件(30，31)的蓋板(43，44)之間。
11．根據(jù)權(quán)利要求1～10中任一項所述的換熱器裝置，所述的換熱器元件(30，31)是由可松釋的緊固裝置如螺釘或螺栓(46)緊固到一起的。
12．根據(jù)權(quán)利要求1～11中任一項所述的換熱器裝置，所述第一與第二流道(32，33)中的至少一個限定一或多個彎曲形構(gòu)型(34～36)。
13．根據(jù)權(quán)利要求1～12中任一項所述的換熱器裝置，各個換熱器元件(30，31)的流道(32，33)具有設(shè)在換熱器元件(30，31)一端上的入口與出口(37，38)。
14．根據(jù)權(quán)利要求12與13所述的換熱器裝置，各個換熱器元件(30，31)具有基本上呈矩形的輪廓，界定在此各元件中的流道(32，33)包括在換熱器元件各端處的橫向延伸的彎曲形流道段(34，35)，后者與縱向延伸的彎曲形流道段(36)互連。
15．根據(jù)權(quán)利要求1～14中任一項所述的換熱器裝置，它包括分成若干組的許多熱電單元(45)，各組中的熱電單元電氣地串聯(lián)，而各個熱電單元組則相互電氣地并聯(lián)。
16．根據(jù)權(quán)利要求1～15中任一項所述的換熱器裝置，與熱電單元(45)加熱側(cè)相鄰的流道(33)的長度，比另一與熱電單元的冷卻側(cè)相鄰的流道(32)的長度要長。
17．根據(jù)權(quán)利要求1～16中的任一項所述的換熱器裝置，所述第一與第二換熱器元件(30，31)是由導(dǎo)熱材料如鋁、銅和／或它們的合金制成。
18．根據(jù)權(quán)利要求1～17中的任一項所述的換熱器裝置，它適用于在汽車車廂內(nèi)進(jìn)行空調(diào)之需。
19．室內(nèi)例如汽車車廂內(nèi)用的空調(diào)系統(tǒng)，此系統(tǒng)包括權(quán)利要求1～18中任一項所述的換熱器裝置(23)，此換熱器裝置的第一與第二通道(32，33)分別包括在第一與第二封閉的液體回路(20；24)中，各個液體回路包括散熱器(18，27)以及用于使液體在其中循環(huán)的裝置。
20．根據(jù)權(quán)利要求19所述的用于調(diào)節(jié)車廂內(nèi)空氣的系統(tǒng)，其中第一液體回路(20)包括驅(qū)動車輛的內(nèi)燃發(fā)動機(jī)(10)的液冷系統(tǒng)(17)的部分。
全文摘要
用于空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)特別是用于汽車或其它車輛進(jìn)行空調(diào)的換熱器裝置,它包括第一與第二換熱器元件(30,31),該元件為傳熱介質(zhì)界定出獨立的第一與第二流道(32,33)。熱電單元(45)如珀爾迪元件分別設(shè)在第一和第二換熱器元件之間并有與其作導(dǎo)熱接觸的相對的加熱與冷卻面。各換熱器元件(30,31)之中界定出彎曲的流道(32,33)而其所具長度相當(dāng)于換熱器元件最大尺寸的若干倍,或界定出若干各具有很小橫截面積的共同延伸的流道。各流道(32,33)最好是形成于換熱器元件(30,31)側(cè)面上的通道或槽,而此側(cè)面和其中形成的通道則由蓋板(43,44)封閉。熱電單元(45)此時可設(shè)在第一與第二換熱器元件(30,31)的蓋板(43,44)之間。
文檔編號B60H1/00GK1204284SQ96199051
公開日1999年1月6日 申請日期1996年12月16日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月16日
發(fā)明者尼爾斯·P·布留普, 米歇爾·拉森, 拉斯·努德特韋特 申請人:科萊姆康公司