專利名稱：尺寸優(yōu)化的熱交換裝置及熱交換裝置的尺寸優(yōu)化的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱交換裝置。這種裝置尤其與汽車中的空調(diào)設備有關(guān)。但是必須指出，本發(fā)明的裝置也可用于其它的空調(diào)設備或制冷循環(huán)中。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有技術(shù)中，已知的是空調(diào)設備或熱交換裝置為了實現(xiàn)冷卻采用制冷劑R 134a。此外，已知的空調(diào)設備還有用制冷劑R 744來代替制冷劑R134a的空調(diào)設備，在這里，制冷劑R 744是指二氧化碳(CO2)。與以前的制冷劑相比，使用CO2可以更好地保護環(huán)境，因為這種制冷劑不會加劇溫室效應。
但是在現(xiàn)有技術(shù)中，與傳統(tǒng)的制冷劑相比，使用CO2會在局部上導致成本的上升，這是因為與R 134a相比，這種制冷劑在裝置中要處于明顯較高的壓力之下。舉例來說，如果采用的是與使用傳統(tǒng)制冷劑的情況下相同的幾何形狀或尺寸的制冷循環(huán)系統(tǒng)，那么出現(xiàn)重量大和成本高的情況，這就使得這種裝置的制造不具有經(jīng)濟性。本發(fā)明的目的在于，使各熱交換裝置的尺寸與CO2的利用相配合，從而制造出成本較低、重量輕的裝置。
大量的研究表明，通過改變蒸發(fā)器就可以減輕重量、節(jié)省成本。在這里也可以允許功率略有下降的情況，因為大量的研究所得出的結(jié)論表明這對汽車中的冷卻所造成的影響是極小的。
發(fā)明目的本發(fā)明的目的在于，使裝置通過一定尺寸的配合，在使用CO2作為制冷劑時，使裝置得以改進，從而在制造成本、功率、重量等方面得以改善。
另一個目的還在于，改善以R 134a為制冷劑的裝置。
按照本發(fā)明，這一目的通過以下方式實現(xiàn)雖然作為元件的蒸發(fā)器的特定的制冷功率出現(xiàn)下降，但是其對汽車車廂的制冷循環(huán)的反作用仍是可接受的。在這種情況下，可以不再需要超過使用傳統(tǒng)制冷劑((R143a)的情況下的制冷循環(huán)的功率水平，而是處于可比的水平。更準確地說，在設計蒸發(fā)器時，它的重量和制造成本使制冷效率與傳統(tǒng)的制冷劑相比時處于可比的水平。
按照發(fā)明，對蒸發(fā)器的關(guān)鍵幾何尺寸進行優(yōu)化，從而使整個系統(tǒng)的成本/效用的比例關(guān)系盡可能達到最優(yōu)。
本發(fā)明的目的在以下所述的熱交換裝置上得到實現(xiàn)。另外還包括其它的優(yōu)選實施形式和進一步改型。
按照本發(fā)明的熱交換裝置具有多個用于輸送流體的通流管，其中，裝置具有預設的深度—下面稱為安裝深度，并且若干通流管至少在部分上相互之間相隔預設的間距。按照發(fā)明，通過這種方式使深度與預設的間距之間的比例關(guān)系小于7。熱交換裝置的深度基本上由各通流管的深度產(chǎn)生，詳細的說明見附圖。
如附圖所示，各通流管之間的管間距是指通流管的各互相面對的側(cè)面之間的距離。這種管間距也決定了優(yōu)選地布置各管之間的翅片的高度。因此，間距在下文中也被稱為翅片高度。
在這里，間距是指通流管之間最短的幾何距離。所謂至少在部分上所預設的間距是指，在管子的整個長度內(nèi)，管子之間并不一定要保持相同的間距。
也可以是，第一組管相互之間具有第一間距，第二組管相互之間具有第二間距。這在附圖中得到詳細說明。
在另一個優(yōu)選的實施形式中，比例關(guān)系V小于6.5，較佳的是小于6.3，更佳的是小于5.9。研究和分析表明，上述比例關(guān)系在以CO2為制冷劑的情況下會得到特別優(yōu)良的成本/效用關(guān)系，其中，用于評估成本/效用關(guān)系的指標包括特定的制冷功率、空氣側(cè)和制冷劑側(cè)的壓降以及制造成本和重量。
在另一個優(yōu)選實施形式中，通流管至少在部分上相互平行。這樣可以保證各通流管之間的間距基本上保持恒定。
通流管基本上沿其整個長度優(yōu)選地相互平行，這樣基本上在其整個長度內(nèi)具有恒定、預設的第一間距。
在另一個優(yōu)選實施形式中，通流管具有扁平管狀的橫斷面。扁平管狀的橫斷面是指其一側(cè)的長度大大超過另一側(cè)，例如拉長的矩形、帶有圓角的拉長矩形或者第一半徑明顯大于第二半徑的橢圓形。
在另一個優(yōu)選實施形式中，流體是制冷劑，優(yōu)選為R 744(CO2)。
在另一個優(yōu)選實施形式中，多個第一通流管相互間至少部分地具有預設的第一間距，多個第二通流管相互間至少部分地具有基本上為預設的第二間距，其中，深度和預設的間距中的至少一個間距之間的比例關(guān)系V小于7。
這說明，一些管之間具有與其它管不同的間距。在這種情況下，在相互基本上平行的通流管中的各間距可以變化。此外，可以在確定預設的第一間距和預設的第二間距時，使深度和兩個預設的間距之間的比例關(guān)系分別小于7。
優(yōu)選的是，在熱交換裝置中，流體在多個第一通流管中沿一個方向流動，而流體在多個第二通流管中沿另一個方向流動，而對于這樣的熱交換裝置分別選擇不同的預設管間距。通過這種方式，在考慮到所達到的熱交換效率的情況下，可以實現(xiàn)低成本的結(jié)構(gòu)形式。
在另一個優(yōu)選實施形式中，多個第一通流管與多個第二通流管在側(cè)面相互錯開。在這里，多個第一和第二通流管的各預設間距可以選擇為相同的或是不同的。而預設的間距在相同的多個通流管中也可以變化。
在另一個優(yōu)選實施形式中，在通流管之間布置著散熱翅片。這些散熱翅片用于改善與周圍空氣的熱交換。在這里，如上所述，這些散熱翅片的高度基本上由各所在通流管之間預設的間距決定。
在一個優(yōu)選實施形式中，各散熱翅片的壁厚在0.04到0.2mm之間，優(yōu)選在0.05和0.12mm之間，特別優(yōu)選在0.06和0.1mm之間。翅片密度為40到90片/dm，優(yōu)選為50到80片/dm，特別優(yōu)選為60到70片/dm。
在另一個優(yōu)選實施形式中，裝置的深度為10mm到60mm，優(yōu)選為20mm到50mm，特別優(yōu)選為25到45mm。這些不同的深度有著不同的用途，也就是說，取決于是用于小型車或是中級車或是高級車。
在另一個優(yōu)選實施形式中，通流管之間預設的間距為4mm到12mm，優(yōu)選為4.5mm到10mm。這些間距也有著不同的用途。
在另一個優(yōu)選實施形式中，預設的間距5mm到12mm、優(yōu)選的間距5.5mm到10mm對應于深度30mm到50mm、優(yōu)選的深度35mm到45mm。在這個實施形式中涉及到的是尺寸較大的熱交換裝置，它尤其是用于但不限于中級車或高級車中的空調(diào)設備。在這里，所選用的尺寸基本上可以保證比例關(guān)系小于7。
在另一個優(yōu)選實施形式中，預設的間距3mm到10mm、優(yōu)選的間距4mm到8.5mm對應于深度15mm到40mm、優(yōu)選的深度20mm到35mm。這些尺寸尤其是用于小型車和中級車中的空調(diào)設備。
在這些尺寸下，比例關(guān)系基本上保證小于7。在這里，基本上為7的比例關(guān)系也指略微超過7的比例關(guān)系。
在另一個優(yōu)選實施形式中，通流管的寬度為1mm到3mm，優(yōu)選為1.5mm到2mm，特別優(yōu)選為1.7mm到1.9mm。通流管的壁厚為0.1mm到0.6mm，優(yōu)選為0.2mm到0.4mm，特別優(yōu)選為大約0.3mm。通過這些尺寸可以實現(xiàn)與周圍空氣之間特別優(yōu)良的熱交換。
按照本發(fā)明的裝置優(yōu)選指作為汽車空調(diào)設備制冷循環(huán)的組成部分的蒸發(fā)器。
此外，本發(fā)明涉及一種汽車空調(diào)設備，它具有至少一個本發(fā)明的熱交換裝置。
此外，本發(fā)明還涉及一種確定熱交換裝置尺寸的方法，其中，第一步是確定裝置的第一尺寸，下一步是確定裝置的第二尺寸，在接下來的一步中確定裝置的至少兩個第一目標參數(shù)，接下來改變至少一個尺寸，由被更改的尺寸再得到裝置的兩個第二目標參數(shù)，并最后通過比較第一和第二目標參數(shù)來選擇較佳的目標參數(shù)。
第一和第二尺寸優(yōu)選地從一組尺寸中選擇，這組尺寸包括深度、散熱翅片的高度、通流管的間距及類似的尺寸。
此外，尺寸也可以指量如每dm的翅片密度及類似的量。
目標參數(shù)優(yōu)選地從一組參數(shù)中選擇，這組參數(shù)包括結(jié)構(gòu)空間深度、制冷功率、空氣側(cè)壓降、重量和制造成本。如前面所述，通過這些參數(shù)可以最終測算出熱交換裝置相對于不同制冷劑的效用或數(shù)值，在這里，制冷劑為R134a和R 744(CO2)。通過本發(fā)明的方法可以改變熱交換裝置的重要尺寸，并可以由此測算出有關(guān)的上述輸出值，以使采用這些尺寸的裝置在可接受的制造成本和可接受的重量的情況下達到滿意的、足夠的制冷功率。
在這種方法中要考慮到，即使對一個或另一個尺寸進行很小的修改，也會導致輸出值或目標參數(shù)發(fā)生很大的變化。
對目標參數(shù)優(yōu)選地在不同的尺寸下進行多次測算，并從這些如此算得的多組目標參數(shù)中選出最佳的參數(shù)組。通過對目標參數(shù)的多次測算可以對熱交換裝置的所要達到的效率或目標參數(shù)進行非常精確的分析。在對最佳的目標參數(shù)組進行測算時，優(yōu)選地對各目標參數(shù)按照規(guī)定的準則進行加權(quán)。舉例來說，對于用于高級車的裝置，對目標參數(shù)重量和制造成本的加權(quán)小于應用在小型車上的裝置。


本發(fā)明的裝置及方法的其它優(yōu)點和實施形式見附圖。其中，圖1是本發(fā)明的裝置的局部俯視圖；圖2是圖1中所示的本發(fā)明的裝置的側(cè)視圖；圖3是另一個實施形式的示意圖；圖4是再一個實施形式的示意圖；圖5是又一個實施形式的示意圖；圖6是用來說明管子間距的示意圖；圖7是用于說明所達到的冷卻程度的圖表；圖8是各元件的分析圖；圖9a是本發(fā)明的裝置的冷卻功率和重量之間的關(guān)系圖；圖9b是空氣側(cè)壓降的表圖；圖10是取決于安裝深度的的功率圖；圖11是與安裝深度相關(guān)的功率與重量之間的比例關(guān)系圖；圖12是與安裝深度相關(guān)的功率與成本之間的比例關(guān)系圖；圖13是與安裝深度與翅片高度之間關(guān)系相關(guān)的功率圖；圖14是與安裝深度與翅片高度之間關(guān)系相關(guān)的功率與重量之間的比例關(guān)系圖；
圖15是與安裝深度與翅片高度之間關(guān)系相關(guān)的功率與成本之間的比例關(guān)系圖。
具體實施例方式
圖1是本發(fā)明的用于熱交換裝置1的局部俯視圖。這個裝置具有多個第一通流管3、多個第二通流管5。在一個優(yōu)選的實施形式中，制冷劑沿著一個方向在多個第一通流管3中流動，即沿由圖示平面向外的方向，并沿著另一個方向在多個第二通流管5中流動，即沿由外進入到圖示平面的方向。
附圖標號7表示通流管的箱。通流管優(yōu)選地分成多個箱或通道。
在這里，第一通流管3和第二通流管5被間隙8相互分開。間隙8用于絕熱，因為制冷劑在通流管3和5中的溫度會不同，而兩者之間不應發(fā)生熱傳遞。但是，通流管也可以沿深度T連續(xù)地布置來取代間隙，即只設置了多個扁平管。在這種情況下，箱或通道7是封閉的，即制冷劑不流入到這個通道中。
附圖標號4是指在這里的俯視圖中所示的、布置在通流管3和5之間的翅片。尺寸Hri是指翅片高度，基本上由各通流管3或5之間的間距決定，準確地說是由各通流管3和5的相互面對的側(cè)面之間的間距決定。
附圖標號T是指安裝深度，如上所述，它是裝置的關(guān)鍵的幾何尺寸。翅片4基本上沿著整個的深度T延伸，并優(yōu)選地不被間隙中斷。前面所述的比例關(guān)系V取決于安裝深度T與翅片高度Hri之間的比例關(guān)系。
圖2是圖1中所示的局部的熱交換裝置的側(cè)視圖。在這里，b指各通流管的寬度。在以R 134a為制冷劑的熱交換裝置中，管的寬度在2到4mm之間，優(yōu)選為2.5到3mm。
在以CO2為制冷劑的熱交換裝置中—如上所屬—管的寬度優(yōu)選為1.2到2mm。裝置的總寬度為120到400mm，優(yōu)選為215到350mm，特別優(yōu)選為250到315mm。同樣具有優(yōu)點的寬度為120到315mm。本發(fā)明的裝置的高度為140到300mm，優(yōu)選為200到300mm，特別優(yōu)選為220到250mm。同樣具有優(yōu)點的高度為140到270mm。在一個優(yōu)選的實施形式中，裝置基本上由鋁或者一種含有鋁的材料制成。
附圖標號A是指所謂的橫節(jié)距，即各通流元件的幾何中心之間的距離。在另外還考慮到各管的寬度b的情況下，可由橫節(jié)距A得到翅片高度Hri，即翅片高度與橫節(jié)距直接相關(guān)。如果由于通流管3、5橫斷面的原因無法提供在幾何上明確的、恒定的翅片高度或通流管間距，例如當圖2中所示的通流管的間距在垂直于圖示平面的方向上發(fā)生變化(這種情況會出現(xiàn)在輪廓為圓形的通流管上)，那么橫節(jié)距可用作翅片高度的尺寸。在這種情況下，根據(jù)本發(fā)明的深度與管的間距之間的比例關(guān)系，可由深度與橫節(jié)距之間的比例關(guān)系代替。
圖3中是本發(fā)明的裝置的另一個實施形式。在這里，附圖標號3和5分別指俯視圖中的各通流管。與圖1中所示的實施形式不同的是，通流管3和通流管5在這里沿側(cè)面相互錯開。這意味著，可分別為通流管3和通流管5確定通流管之間的間距。在圖3所示的實施例中，通流管3的間距Hri與通流管5之間的間距Hri完全相同。
圖4是本發(fā)明的裝置的另一個實施形式的示意圖。在這里，通流管3之間的間距Hri大于通流管5之間的間距Hri2。其中，在選擇兩個間距Hri1或Hri2中的至少一個時—在這里至少是間距Hri1，要優(yōu)選地使深度T和間距Hri1之間的比例關(guān)系小于7。但也可以在選擇兩個間距時，使相應的比例關(guān)系都小于7。
圖5中是本發(fā)明的裝置的另一個實施形式。在這個實施形式中，各通流管之間的間距只在通流管3中變化。但也可以是，各通流管之間的間距只在通流管5中變化，或者既在通流管3中也在通流管5中變化。在這個實施形式中也必須保證，間距Hri中的至少一個滿足以下要求，即深度和這個間距之間的比例關(guān)系小于7。
也可以在各管之間設有其它不同的間距或者設有多個不同的間距，例如間距Hri1、Hri2、Hri3等。無論如何必須保證間距Hri中的一個滿足上述小于7的比例關(guān)系。
圖6是用來說明間距Hri定義的示意圖。在圖3到5中的通流管分別具有筆直的側(cè)面，它們可以同時直接確定間距，而在圖6所示的實施形式中通流管具有橢圓形的橫斷面。在這種情況下，通流管之間的間距被定義為兩條分別與通流管3相切的切線T之間的間距。
但是如前所述，管的間距也可以不通過相互面對的側(cè)面的間距來確定，而是由各管的幾何中心線之間的間距來確定，這在前面被稱為橫節(jié)距。如前所述，這首先適合于通流管具有與這里所示不同的幾何形狀，例如凹形或凸形。
圖7中的圖表中是對高級車的冷卻曲線的模擬。在這里，在怠速—運行點分別繪出制冷劑R 134a的可比的冷卻曲線(這里由曲線11和12表示)以及R 744的可比的冷卻曲線(這里由曲線14和15表示)。
上部曲線12和14表示車廂內(nèi)的溫度變化，下部曲線11和15表示蒸發(fā)器本身的溫度變化。
此外，模擬以下列情況為出發(fā)點，即R 134a蒸發(fā)器的安裝深度為65mm，而R 744蒸發(fā)器的安裝深度則少了25mm，也就是說安裝深度為40mm。
縱坐標為時間，單位為分鐘，橫坐標為溫度，單位為攝氏度。模擬分為若干時間段I到IV，其中，時間段I中的行駛為第3擋位，速度為32km/h，時間段II中的行駛為第4擋位，速度為64km/h，時間段III中為怠速行駛，時間段IV中的行駛為第2擋位，速度為64km/h。
從圖中看出，在第3檔位(I)時，R 744蒸發(fā)器所達到的冷卻比R134a蒸發(fā)器更迅速均勻。在II到IV區(qū)域，各蒸發(fā)器基本上分別達到相同的值。
在圖8中是不同形式的蒸發(fā)器在一個典型的運行點的功率的比較。在這里，定義這個運行點時，要使比較能夠不受制冷循環(huán)的影響。
要指出的是，下面所述的方法或所獲得的結(jié)果同樣適用于R 134a蒸發(fā)器和R 744(CO2)蒸發(fā)器的改善。
在這里所示的圖表中，以下列條件為出發(fā)點氣流量GLV為8kg/min，氣流進口溫度tLVe＝40℃，相對濕度LVE為40％。
在圖表中，菱形表示為制冷劑R 744(CO2)所測得的值；橢圓形表示為R 134a所測得的值。
對于以R 744為制冷劑的蒸發(fā)器，翅片密度為70片/dm，對于以R134a為制冷劑的蒸發(fā)器，翅片密度為60片/dm。
縱坐標為安裝深度，單位為mm，橫坐標為總功率，單位為kW。所填入的每對值或點31到39是溫度T、翅片高度Hri，翅片密度zri及所謂的橫節(jié)距sq的函數(shù)。橫節(jié)距是指各通流管的中心之間的間距。在這里，通過每對值或點31到39形成一個范圍，它涵蓋了不同等級的汽車的制冷循環(huán)的功率水平。上面的曲線22對應于高級車或貨車，下面的極限曲線23顯示了小型車的功率需求。
對于小于40mm的安裝深度，即從測量點31到35，填入與制冷劑R744有關(guān)的值。對于安裝深度∑40mm的區(qū)域，填入與制冷劑R 134a有關(guān)的值。如上所述，對于測量點31到35，選擇統(tǒng)一的翅片密度70片/dm，而對于測量點36到39，選擇統(tǒng)一的翅片密度60片/dm。
對于測量點31和32，橫節(jié)距較小，對于測量點33到35，橫節(jié)距較大。由較小的橫節(jié)距得到的是同樣較小的翅片高度，這由線28表示。同樣，由較大的橫節(jié)距得到的是較大的翅片高度，這由線27表示。
對于測量點36和37，所選擇的橫節(jié)距較小，從而使翅片高度HRi也較小，如線25所示。對于測量點38和39，所選擇的橫節(jié)距較大，從而使翅片高度也較大，如線26所示。
從圖表中可以看出，在使用R 744的情況下，并且由坐標表示的功率水平保持不變的情況下，安裝深度明顯變小。這就是說，安裝深度T與翅片高度HRi的對應或比例關(guān)系發(fā)生偏移。
在使用R 134a的情況下，65mm的深度所對應的翅片高度為7到10mm，40mm的深度所對應的翅片高度為4到6mm，而在使用R 744的情況下，40mm的深度所對應的翅片高度為7到10mm，27mm的深度所對應的翅片高度為5到8mm。
在以前的結(jié)構(gòu)類型中，對于制冷劑R 744，采用的是R 134a的對應關(guān)系或尺寸。與R 134a相比，這導致功率值明顯提高，但是卻增加了重量和成本，這是由于在使用R 744時所要求的壓力明顯較高所致。明顯增高的功率值在這里由例如點41和42表示。由點41和42所表示的功率要比所要求的最大功率高出超過15％。
由此表明，與業(yè)界的想法相反，在確定尺寸時也可以進行降低成本、減少重量的更改，同時又不會損害冷卻功率。
R 744的潛能明顯較高的原因在于，在R 744循環(huán)中，由于R 744壓縮機特殊的高輸送量，壓降在低壓部分可以更快地實現(xiàn)。這就實現(xiàn)了更高的動態(tài)性能，并在蒸發(fā)器上在空氣和制冷劑之間形成了更高的、起驅(qū)動作用的溫差。
蒸發(fā)器中制冷劑側(cè)的壓降處于可比的數(shù)量等級，其中，在使用R 134a時，1bar的壓降引起大約9K的溫度變化，而在使用R 744時則只有1K。通常在蒸發(fā)器中的流動長度范圍內(nèi)，這會使空氣和制冷劑之間形成明顯較高的、起驅(qū)動作用的溫差(R 744蒸發(fā)器一般具有明顯較低的表面溫度)。
如前面所述，成本/效用最優(yōu)值是安裝深度、冷卻功率、空氣側(cè)壓降、重量和成本等值的函數(shù)值。在這里，如前所述，深度T、翅片高度Hri以及管間距或由數(shù)值推導出的其它數(shù)值如橫節(jié)距是變量。
按照目前為止的考慮和研究，65mm的安裝深度對于現(xiàn)有的功率水平來說太大了；按照評估，較佳的設計是55mm，它也會達到65mm深度的功率水平。當然，這樣一種實施形式也可能導致成本上升，影響空氣側(cè)的壓降。在功率方面，對于制冷劑R 134a較佳的深度是40mm；但是在這種情況下會在成本和空氣側(cè)的壓降方面具有缺點。上述的考慮表明，在對所要制造的蒸發(fā)器進行評判和分析時，各方面之間的關(guān)系相互交錯、極其復雜。
對于使用制冷劑R 744的蒸發(fā)器，特別適合的結(jié)構(gòu)深度在25到45mm之間。
圖9中的圖表說明了本發(fā)明的幾個優(yōu)點。其中，在標有圖9a的子圖表中，顯示了蒸發(fā)器的重量與可達到的制冷能力之間的關(guān)系。物理邊界條件如氣流量GLV，與那些在對圖8中說明作為基礎的條件相同。同樣，蒸發(fā)器的尺寸也相同。
如涉及小型車和中級車的測量點44和45所示，可以通過幾何尺寸的配合來達到可比的制冷能力，其中，測量點44是用于制冷劑R 744，測量點45用于制冷劑R 134a。對于測量點45，是以平均的安裝深度和60片/dm的翅片密度為基礎。而對于測量點44則選用小于點45的深度、較小的橫節(jié)距和較大的翅片密度。
而涉及高級車上的裝置的兩個測量點46和47表明，在制冷能力相同的情況下，R-744蒸發(fā)器的重量明顯較少。對于測量點46，所選的是較大的安裝深度T、預設的翅片密度和較大的橫節(jié)距sq。在測量點47處，R744蒸發(fā)器的深度T比點46小，翅片密度與點46相同，橫節(jié)距也相應地相同。因而，由于安裝深度較小，在橫節(jié)距相同的情況下，重量明顯減輕，并且即使與功率相同的R 134a蒸發(fā)器相比，在重量上也具有優(yōu)勢。由于安裝深度減少，材料耗費也相應減少，從而降低了成本。
此外，對于高級車中的蒸發(fā)器，安裝深度可從65減少到45mm，對于小型車，則可從40減少到25mm。這還會帶來另外的優(yōu)點，即在汽車中占用的空間較少。
如圖9b中的圖表所示，在坐標中所示的空氣側(cè)壓降也可以減少。方塊51到53與制冷劑134a有關(guān)，方塊54到55與制冷劑R 744有關(guān)。從圖中可以看出，在使用R 744時，空氣側(cè)的壓降明顯地減少了大約50％。這提高了用于汽車空氣調(diào)節(jié)的空氣量，減少了鼓風機中的功率消耗，并為減少空調(diào)設備的噪音水平提供了可能。
在圖10中，各蒸發(fā)器的功率值被填入到縱坐標中，而安裝深度則作為橫坐標。在這里，無論是CO2蒸發(fā)器還是R 134a蒸發(fā)器，凡是具有相同翅片高度的蒸發(fā)器分別處于一直線上。附圖標號63標識出對應于較高的翅片高度的直線，這里的翅片高度在下文中被稱為第一翅片高度，附圖標號62標識出對應較低的第二翅片高度(在下文中被稱為第二翅片高度)的直線，附圖標號61標識出對應小于第二翅片高度的翅片高度(在下文中被稱為第三翅片高度)的直線。
如圖10所示，各條直線61到63具有相對近似的上升趨勢，由此推斷出在結(jié)構(gòu)形式或翅片高度相同的情況下，功率和安裝深度在比例上相互依賴。此外還可以看出，翅片高度較小的蒸發(fā)器，雖然尺寸相同，但是由于熱傳導表面增大，因而具有更高的功率。
陰影區(qū)域60和70形成了所要求或有意義的功率值的邊界。功率的邊界值是通過對汽車車廂的冷卻的模擬獲得的。在上部區(qū)域60內(nèi)，功率的繼續(xù)上升并沒有帶來更多的優(yōu)點，而在低于區(qū)域70中的下邊界值的情況下車廂的冷卻則是不能接受的。附圖標號65到68是指位于所要求的功率范圍內(nèi)的測量值。它們表示不同結(jié)構(gòu)形式的裝置。
附圖標號67指的是安裝深度大并具有所述的第一翅片高度的R 134a蒸發(fā)器。附圖標號65是指安裝深度較小并具有所述的第三翅片高度的R 134a蒸發(fā)器。
附圖標號66是指具有第二翅片高度和平均安裝深度的R 134a蒸發(fā)器。
附圖標號68是指具有第一翅片高度和平均安裝深度的R 134a蒸發(fā)器。附圖標號71到74是指這個蒸發(fā)器的測量值，這些值并沒有處于區(qū)域60和70之間的可允許的范圍75之中。其中，附圖標號71是指安裝深度較小并且具有第一翅片高度的蒸發(fā)器，附圖標號72是指具有第三翅片高度并且安裝深度很小的R 744蒸發(fā)器，附圖標號73是指安裝深度較小并具有第三翅片高度的CO2蒸發(fā)器，附圖標號74是指安裝深度大并具有第一翅片高度的CO2蒸發(fā)器。
由圖可以看出，在給定的安裝深度和翅片高度下，CO2蒸發(fā)器的功率值明顯高于R 134a蒸發(fā)器。同樣如圖10所示，例如由直線76所示的安裝深度較小且具有第二翅片高度的CO2蒸發(fā)器在應用上具有優(yōu)點。橢圓140、141表示較佳的尺寸所在的范圍。
在圖11中是與安裝深度相關(guān)的功率與重量的比例關(guān)系。在這里，所涉及的量如功率/重量相互之間再次加權(quán)評估，以正確評價各量的不同意義。在本方法的一個優(yōu)選變型中，功率和成本被當作同等的量，重量和翅片高度則起著次要的作用。
在圖11到15中所示的圖表中加權(quán)評估分別是這樣的功率與成本的比例關(guān)系為50∶50，功率與重量的比例關(guān)系為80∶20，安裝深度與翅片高度的比例關(guān)系為70∶30。三角形指的是CO2蒸發(fā)器，而圓形是指R 134a蒸發(fā)器。在功率/重量比例關(guān)系填入到坐標中后，較高的值即沿功率方向移動的比例關(guān)系被認為是更佳的。
由此可以看出，對于R 134a蒸發(fā)器而言，具有平均安裝深度及所述的第二翅片高度的蒸發(fā)器81是良好的，具有較小安裝深度及所述的第三翅片高度的蒸發(fā)器83也是良好的。
具有第一翅片高度的蒸發(fā)器84雖然在功率和重量的比例關(guān)系方面也是良好的，但是它的絕對功率對于小型車的冷卻而言卻是不可接受的?？梢钥紤]將這種類型的蒸發(fā)器用于后部設備中。具有第二翅片高度的蒸發(fā)器同樣可作為替代品用于小型車和/或中級車。
對于制冷劑CO2，較佳的是深度小并且翅片高度大的蒸發(fā)器86和87以及深度小并具有第三翅片高度的蒸發(fā)器88。雖然深度小的蒸發(fā)器89相對來說也是良好的，但在功率方面卻處于極限值。
而蒸發(fā)器91與具有第二翅片高度的蒸發(fā)器直接相比，則具有明顯的缺點。此外，該此蒸發(fā)器已經(jīng)超出目前所要求的功率上限。
標號92所指示的蒸發(fā)器，在功率很低的情況下由于管子和翅片的排列密度大，而導致了不良的功率與重量的比例關(guān)系。
標號95和96是指由測量值確定的趨勢線。通過趨勢線可以確定或估計，采用哪些蒸發(fā)器尺寸可以達到較佳的設計，如這里所示的較佳的功率/重量比例關(guān)系。
就分別來說，趨勢線95是指CO2蒸發(fā)器，趨勢線96是指R 134a蒸發(fā)器。
圖12顯示了與安裝深度相關(guān)的功率與制造成本之間的比例關(guān)系。在這里，功率與成本的比例關(guān)系也是以前面所述的比例關(guān)系或加權(quán)評估為基礎。
可以看出，由圓形表示的R 134a蒸發(fā)器中，具有平均安裝深度和第一翅片高度的蒸發(fā)器101具有最佳的功率/成本比例關(guān)系。但是這種蒸發(fā)器的輸出功率低，因而在制定趨勢線115時沒有予以考慮。
和前面一樣，用于R 134a蒸發(fā)器的趨勢線115及用于CO2蒸發(fā)器的趨勢線116分別表明，在哪些幾何尺寸上可以為蒸發(fā)器獲得特別有利的結(jié)果。雖然具有第三翅片高度的蒸發(fā)器102明顯不佳，但是在與蒸發(fā)器104到106相比時，必須考慮到其所具有的安裝深度小的優(yōu)點。
在考察由圓形表示的CO2蒸發(fā)器時，人們發(fā)現(xiàn)具有第一翅片高度或略小的翅片高度的蒸發(fā)器107和108具有良好的功率/成本比例關(guān)系，具有第一翅片高度的蒸發(fā)器110也具有良好的功率/成本比例關(guān)系。
按照要求，具有第三翅片高度的蒸發(fā)器111由于排列密度高而略差一些，這表現(xiàn)為成本方面的負面影響。而具有第二翅片高度的蒸發(fā)器按照邏輯處于具有第三翅片高度的蒸發(fā)器和具有第一翅片高度的蒸發(fā)器之間，可作為較佳的替代產(chǎn)品。
而對于具有較大安裝深度且第三翅片高度的蒸發(fā)器112和具有較小安裝深度的蒸發(fā)器113，上述比例關(guān)系還更為不利。
在前一個蒸發(fā)器上，由于較小的翅片高度(或高排列密度)，而使成本變得很高，而在后一個蒸發(fā)器上，雖然成本不高，但功率較低。蒸發(fā)器114雖然與圖11中的蒸發(fā)器93相同，但處于上述原因也不予考慮。
一般來說，CO2蒸發(fā)器的水平要低于R 134a結(jié)構(gòu)的蒸發(fā)器。在這里可以看到它在成本上具有一定的缺陷，這是因為處于強度或安全原因(在使用CO2的情況下，工作壓力明顯高于制冷劑)而采用了穩(wěn)定性更好的結(jié)構(gòu)，因而使重量加大。
圖13到15中所示的圖表與圖10到12中的圖表相互關(guān)聯(lián)。但在圖13到15中的圖表中，填入到縱坐標或橫坐標上的量“安裝深度”由安裝深度和翅片高度加上10mm后之間的加權(quán)比例關(guān)系V’代替。
由圖13中所示的各蒸發(fā)器的功率與安裝深度和翅片高度之間加權(quán)比例關(guān)系V’所形成的坐標系看出，使用相同制冷劑的蒸發(fā)器(R 134a或CO2)現(xiàn)在基本上不受翅片高度的影響而處于一條恒定的直線上。這說明了所選擇的安裝深度和翅片高度之間的加權(quán)，它表現(xiàn)在將10mm加到翅片高度上。在這里，人們又可以看到CO2蒸發(fā)器與具有相同安裝深度的R 134a相比在功率上具有優(yōu)勢。這里的各值和前面一樣也是測量值，或者是通過模擬所獲得的值，這些值得到測量的確認。
與絕對安裝深度(見圖11)相比，從圖14中由與重量相關(guān)的功率和經(jīng)過加權(quán)的翅片高度和安裝深度之間的比例關(guān)系形成的圖表，得到了和上面基本相同的結(jié)論。另外，這里所研究的R 744蒸發(fā)器與重量相關(guān)的功率在V’＝1.3和V’＝2.8之間達到最大，并且在這個范圍之外出現(xiàn)下降。從V’＝1.5起出現(xiàn)對蒸發(fā)器較佳的值，而從V’＝1.85起出現(xiàn)對蒸發(fā)器更佳的值。具有與重量相關(guān)的最大功率的蒸發(fā)器的加權(quán)比例關(guān)系V’為2.2或2.4。趨勢線所表現(xiàn)的最大值為大約V’＝2.1。
類似的，在圖15中所示的圖表中，功率/成本比例關(guān)系填在相關(guān)的安裝深度之上(見圖12和15)。在這里，優(yōu)先的情況也沒有變化。當加權(quán)比例關(guān)系V’小于大約2.6時，R 744蒸發(fā)器的與成本相關(guān)的功率超過R 134a蒸發(fā)器。
我們發(fā)現(xiàn)，通過本發(fā)明的方法，按照所預設的尺寸或參數(shù)例如安裝深度和翅片高度，可以確定不同的目標參數(shù)如成本、功率和重量，并可通過不同的加權(quán)相互測算，這些變量在最終效果上體現(xiàn)為最佳的實施形式。這樣，按照本發(fā)明的方法，通過使用不同的填入方法(局部上也包括加權(quán))，以有效的方式得到R 134a和CO2蒸發(fā)器的最佳尺寸。以這種方式可以在考慮到各項指標如重量、功率等的情況下為各蒸發(fā)器選擇最佳的尺寸。
可為本方法優(yōu)選地開發(fā)程序，使得用戶可以任意輸入指標，任意輸入目標參數(shù)，以滿足例如汽車空氣調(diào)節(jié)的要求。在編寫這種程序時，要利用或結(jié)合通過測量和/或大量的熱力學研究所獲得的經(jīng)驗。
因此，本發(fā)明也涉及一種軟件，它使本發(fā)明的方法在測算機的支持下得到應用。
對于CO2蒸發(fā)器，較佳的是安裝深度為20到45mm，翅片高度為4.0mm到10.0mm。
特別是在用于高級車時，較佳的是安裝深度為35到45mm，翅片高度為5.5到10mm，而在用于小型車和中級車時，較佳的是安裝深度為20到35mm，翅片高度為4到8.5mm。
權(quán)利要求
1.用于汽車的空調(diào)設備的熱交換裝置，包括多個用于輸送流體的通流管，其中，該裝置具有預設的深度T，并且預設數(shù)量的通流管(3、5)至少在部分上相互之間相隔預設的間距，其特征在于，深度和預設間距之間的比例關(guān)系(V)小于7，和/或深度和預設間距與10mm之和之間的加權(quán)比例關(guān)系(V’)大于1.3且小于2.8。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，預設間距小于或等于9mm，較佳的是小于或等于8mm，更佳的是小于或等于6mm。
3.根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，比例關(guān)系(V)小于6.8，較佳的是小于6.6，更佳的是小于6.3。
4.根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，比例關(guān)系(V)小于6.1，較佳的是小于5.9，更佳的是小于5.1。
5.根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，加權(quán)比例關(guān)系(V’)至少為1.5，較佳的是至少1.85，更佳的是至少2.2。
6.根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，加權(quán)比例關(guān)系(V’)最高為2.6，較佳的是最高2.4，更佳的是最高2.25。
7.根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，通流管至少部分地相互平行。
8.根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，通流管之間具有恒定的預設的第一間距。
9.根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，通流管具有扁平管狀的橫斷面。
10.根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，通流管整體制成，優(yōu)選地由板材或擠壓型材組成。
11.根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，通流管并且最好是裝置的斷裂壓力超過90bar。
12.根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，流體是制冷劑，并且優(yōu)選為R 744。
13.根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，多個第一通流管(3)相互之間至少在部分上具有預設的第一間距，多個第二通流管(5)相互之間具有預設的第二間距，并且深度與至少一個預設間距的比例關(guān)系V小于7。
14.根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，多個第一通流管(3)與多個第二通流管(5)在側(cè)面相互錯開。
15.根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，在通流管之間布置著散熱翅片(4)。
16.根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，裝置的深度為10mm到60mm，較佳的是20mm到50mm，更佳的是25mm到45mm。
17.根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，裝置上的預設間距為4mm到12mm，較佳的是4.5mm到10mm。
18.根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，預設的間距5mm到12mm、優(yōu)選的間距5.5mm到10mm對應于深度30mm到50mm、較佳的深度35mm到45mm。
19.根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，預設的間距3mm到10mm、優(yōu)選的間距4mm到8mm對應于深度20mm到35mm、優(yōu)選的深度25mm到30mm。
20.根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，通流管的寬度為1mm到3mm，較佳為1.3mm到2mm，更佳為1.4mm到1.9mm。
21.根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，通流管的壁厚為0.1mm到0.6mm，較佳為0.2mm到0.4mm，更佳為0.25mm到0.3mm。
22.根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項所述的裝置，其特征在于，該裝置是蒸發(fā)器。
23.用于汽車的空調(diào)設備，其特征在于，它具有至少一個根據(jù)前面的權(quán)利要求中任一項所述的熱交換裝置。
24.用于確定熱交換裝置尺寸的方法，包括以下步驟-確定裝置的第一尺寸；-確定裝置的第二尺寸；-測算出裝置的至少兩個第一目標參數(shù)；-修改至少一個尺寸；-通過修改的尺寸測算出裝置的至少兩個第二目標參數(shù)；-通過比較第一和第二目標參數(shù)，測算出最佳的目標參數(shù)。
25.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其特征在于，尺寸從一組尺寸中選擇，這組尺寸包括深度、翅片高度和通流管的間距。
26.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其特征在于，參數(shù)從一組參數(shù)中選擇，這組參數(shù)包括結(jié)構(gòu)空間深度、制冷功率、氣流量、空氣側(cè)壓降、重量和制造成本。
27.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其特征在于，對目標參數(shù)進行多次測算，并從這些如此算得的多組目標參數(shù)中選出最佳的參數(shù)組。
28.根據(jù)權(quán)利要求18的方法，其特征在于，在選定最佳的目標參數(shù)組時，按照規(guī)定的準則對各目標參數(shù)進行加權(quán)。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于汽車的熱交換裝置，包括多個用于輸送流體的流通管，其中，該裝置具有預設的深度(T)，并且數(shù)個通管至少在部分上相互之間相隔預設的間距，其深度和預設間距之間有一個比例關(guān)系(V)。
文檔編號F25B39/02GK101065635SQ200580040052
公開日2007年10月31日 申請日期2005年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月23日
發(fā)明者穆拉德·本-薩哈, 戈特弗里德·迪爾, 米夏埃爾·克拉尼希, 沃爾夫?qū)赏郀柕? 卡爾-海因茨·斯塔法, 克里斯托夫·瓦爾特 申請人:貝洱兩合公司