CN102245412B - 气调节热力学回路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种建立致冷流体循环并包括四通阀(6)的空气调节热力学回路(4)，该四通阀(6)允许在空气调节热力学回路(4)的安排在该四通阀的第一孔(9)和第二孔(10)之间的第一部分(7)内部的致冷流体循环方向逆转，并包括至少一个第一空气热交换器(11)和第一膨胀机构(12)。空气调节热力学回路(4)的第一部分(7)包括内部热交换器(15)，配备在第一膨胀机构(12)和该四通阀第二孔(10)之间。

Description

气调节热力学回路
技术领域
本发明属于特别是机动车用的采暖、通风和／或空气调节装置的领域。更具体地说，其目标在于提出一种与装备机动车，特别是电力推进机动车的这种装置合成一体的空气调节热力学回路。其目标还在于提出一种包括这种回路的采暖、通风和／或空气调节装置。
背景技术
电力推进机动车一般都配备采暖、通风和／或空气调节装置，用来改变分布在汽车车厢内部的空气热力学参数。这种装置包括空气调节热力学回路，致冷流体在其内部循环，该致冷流体诸如次临界流体，例如R134a等，或超临界流体，例如二氧化碳等。
特别是从文献US2008／0152976已知这样一种空气调节热力学回路，它能够通过致冷流体在该空气调节热力学回路的一部分内部的循环方向逆转，运行于“采暖”模式或“致冷”模式。为此，该空气调节热力学回路包括四通阀，压缩机，第一、第二、第三和第四热交换器以及第一和第二膨胀机构。
该压缩机用来压缩致冷流体。第一热交换器被设置来允许在外部空气流和来自压缩机的致冷流体之间进行热交换。第二热交换器同样允许在外部空气流和致冷流体之间进行热交换。第一膨胀机构用来降低来自第二热交换器的致冷流体的压力。第三热交换器用来通过致冷流体的蒸发来冷却空气流，该致冷流体的压力通过第一膨胀机构降低。第二膨胀机构设置来降低被压缩机压缩的致冷流体的压力。第四热交换器允许在该致冷流体和来自燃料电池的气流之间进行热交换。
该四通阀允许使致冷流体通过包括第二热交换器、第四热交换器和第二膨胀机构的该回路部分的方向逆转。
该致冷流体在空气调节热力学回路内部经受一般用Mollier曲线图描述的热动力学周期。已知从该曲线图推导出一般用英语字首词“COP”表示的空气调节热力学回路的性能系数。该空气调节热力学回路性能系数被定义为放出的有用功率和压缩机压缩该致冷流体所消耗能量之间的比。
但是，现有技术已知的这种空气调节热力学回路无法达到高的性能系数，特别是在以最小能量消耗向汽车用户提供最优热学舒适度方面有缺点。
更一般地说，这种空气调节热力学回路的缺点是其运行消耗大量的能量，当汽车是电力推进时，过量的消耗尤为关键，其后果是，空气调节热力学回路的运行所消耗的电能降低了该汽车的自主性。
最后，在电力推进汽车的特定情况下，总是没有发动机的冷却回路，使之失去热源设置，使得该装置经受强烈的热亏损。这样的热亏损导致该空气调节热力学回路在“采暖”模式和／或在其中需要冷却、接着加热空气流的“再加热”的模式下运行时能量消耗提高。
发明内容
本发明的目的在于提出一种空气调节热力学回路，它是组成用来装备机动车辆，更具体地说，装备电力推进机动车辆的采暖、通风和／或空气调节装置整体的一部分，该空气调节回路能够在“致冷”和“采暖”的模式下运行。另外，在本发明的情况下，该空气调节热力学回路的性能系数，或“COP”高，具体地说，依汽车外部环境，特别是外部温度，大于或等于2，特别是3至4。
本发明的另一个目的是提出一种采暖、通风和／或空气调节装置，它包括这种空气调节热力学回路，并安排得使配备在汽车前面的热交换器提供的冷凝功率降低。
按照本发明，该空气调节热力学回路建立致冷流体的循环，并包括四通阀，它允许使安排在该四通阀的第一孔和第二孔之间的空气调节热力学回路的第一部分内部的致冷流体的循环方向逆转。该空气调节热力学回路的第一部分包括至少一个第一空气热交换器和第一膨胀机构。
更具体地说，该空气调节热力学回路的第一部分包括配备在该第一膨胀机构和该四通阀的第二孔之间的内部热交换器。
该空气调节热力学回路第一部分最好包括与该膨胀机构并联的第一旁路。
另外，第二空气交换器在空气调节热力学回路的第一部分内配备在内部热交换器和该四通阀的第二孔之间。
此外，第二膨胀机构在空气调节热力学回路的第一部分内配备在内部热交换器和第二空气交换器之间。第二旁路优选与该第二膨胀机构并联。
按照本发明，四通阀可以采取：
·该空气调节热力学回路的第一运行位置，所谓“致冷模式”，其中致冷流体在第一部分内部依次从该四通阀的第一孔通过第一空气交换器、第一旁路、内部热交换器、第二膨胀机构、第二空气交换器和该四通阀的第二孔循环；和
·该空气调节热力学回路的第二运行位置，所谓“采暖模式”，其中该致冷流体在第一部分内部，依次从该四通阀的第二孔经过第二空气交换器、第二旁路、内部热交换器、第一膨胀机构、第一空气交换器和第一孔循环。
该空气调节热力学回路最好包括第二部分，安排在四通阀的第三孔和第四孔之间并包括至少一个压缩机。该空气调节热力学回路的第二部分还包括第三热交换器，安排在该压缩机和该四通阀的第四孔之间。具体地说，致冷流体和第一载热流体流过第三热交换器。
该空气调节热力学回路的第二部分最好包括安排在第三孔和压缩机之间的内部热交换器。
按照本发明的一个实施方案，该空气调节热力学回路的第一部分包括安排在第二空气交换器和该四通阀的第二孔之间的第四热交换器。致冷流体和第二载热流体流经该第四热交换器。
本发明还涉及一种包括这种空气调节热力学回路的采暖、通风和／或空气调节装置。
采暖、通风和／或空气调节装置最好包括第一副回路，第一载热流体在该第一副回路中循环。第一副回路，例如，包括储热模块。
采暖、通风和／或空气调节装置包括第二副回路，后者包括第二载热流体在其内部循环的散热器。
该散热器最好设在第一管道的内部，该第一管道设有至少一个可在关闭位置和开启位置之间操作的空气分配机构，在关闭位置上，穿过散热器的空气流被引向第一管道内部；而在开启位置上，至少一部分空气流被排至第一管道外。
另外，该第二副回路借助于两个三通阀与汽车发动机的冷却回路相联系。
附图说明
参照附图阅读对作为非限制性示例给出的实施方案的描述，将会更好地理解本发明并看出与此有关的细节，附图中：
·图1和2是按照本发明空气调节热力学回路的图解，分别为图1按照“致冷”模式，和图2按照“采暖”模式；
·图3是Mollier曲线图，说明在上述附图所示的该空气调节热力学回路内循环流动的致冷流体所经历的热力学周期；
·图4是图1和2所示的空气调节热力学回路的第一实施方案的图解；
·图5是图1和2所示的空气调节热力学回路的第二实施方案的图解；以及
·图6和7是图1和2所示的空气调节热力学回路的第三实施方案的图解，分别为图6按照“致冷”模式和图7按照“采暖”模式。
具体实施方式
图1、2和图4至7描述机动车的采暖、通风和／或空气调节装置1，用以改变在汽车车厢内部扩散的空气流的空气热力学参数。该汽车特别是电力推进汽车，装有电源，诸如电池组和／或燃料电池。
电动汽车具有第一特性，亦即没有一般使装备热力推进汽车的热力发动机、特别是内燃机产生的热量耗散用的冷却回路。由此得出结论，对电力推进汽车的一个约束是，没有易于获得和总是可用的热源，以保证向车厢内部提供的空气流的加热和再加热的功能。
电动汽车具有第二特性，在于利用电压缩机3来压缩在组成采暖、通风和／或空气调节装置1整体一部分的空气调节热力学回路4内部循环流动的致冷流体。压缩机3的运行需要由电源提供的电力供应。由此得出结论，电动汽车的自主移动直接受到该压缩机3运行的影响。
最后，电动汽车具有第三特性，在于采暖、通风和／或空气调节装置1且特别是空气调节回路4一般应该尽可能有效，更具体地说，提供尽可能高的性能系数或COP，力求依汽车的外部环境、特别是依外部温度，使性能系数大于或等于2，特别是3至4。
本发明提出的空气调节热力学回路4考虑到刚才说明的特性，并允许使集成于该空气调节热力学回路4的元件的运行所需要的电耗最小化，提供一个大于或等于2，特别是3至4的性能系数。
该空气调节热力学回路4能够在“致冷”模式下运行，其中该空气调节热力学回路4在空气流2分配到汽车车厢内部之前冷却该空气流，和能在“采暖”模式下运行，其中该空气调节热力学回路4能够在空气流2分配到汽车车厢内部之前加热该空气流。该空气调节热力学回路4同样能够在“再加热”模式下运行，其中在空气流分配到汽车车厢内部之前首先对空气流2进行冷却以便除湿，接着重新加热。
按照本发明，该空气调节热力学回路4包括四通阀6，能够在“致冷”模式和“采暖”模式下使该空气调节热力学回路4的第一部分7内部的致冷流体的循环方向逆转，但对于该两个运行模式在该空气调节热力学回路4的第二部分8内部仍维持致冷流体的相同循环方向。
该四通阀6包括第一孔9、第二孔10、第三孔18和第四孔19，以保证该空气调节热力学回路4的第一部分7和第二部分8之间的连通。
该空气调节热力学回路4的第一部分7，除四通阀6外，还包括第一空气热交换器11(最好是冷凝器或气体冷却器)、第一膨胀机构12、第一旁路13、内部热交换器15、第二膨胀机构16、第二旁路17和第二空气热交换器5(具体地说是蒸发器或散热器)。
按照图1的实施例，第一旁路13配备在与第一膨胀机构12并联的分支上。类似地，第二旁路17配备在于与第二膨胀机构16并联的分支上。
该空气调节热力学回路4的第二部分8，除四通阀6外，还包括内部热交换器15、压缩机3和第三热交换器21。
第三热交换器21保证在该空气调节热力学回路4中循环流动的致冷流体和在第一副回路22中循环流动的第一载热流体之间的热交换。
在“致冷”模式和“采暖”模式下，该致冷流体在该空气调节热力学回路4的第二部分8内部从该四通阀6的第三孔18向内部热交换器15，接着依次向压缩机3、第三热交换器21和最后向该四通阀6的第四孔19循环。
图1表示空气调节热力学回路4在“致冷”模式下的配置。在这种安排下，该四通阀6使第四孔19与第一孔9连通。于是，该致冷流体从四通阀6向第一空气热交换器11循环。
在“致冷”模式下，该致冷流体接着通过第一旁路13绕过第一膨胀机构12。它接着通过内部热交换器15。在该同一模式下，该致冷流体通过第二膨胀机构16绕过第二旁路17以后，接着依次通过第二空气热交换器5循环，以便回到该四通阀6的第二孔10。
在这种安排下，该四通阀6使第二孔10与第三孔18连通。
于是，在“致冷”模式下，压缩机3压缩通过第三热交换器21的致冷流体。该第三热交换器21还与第一副回路22合成一体，该第一载热流体通过第一泵23的作用在该第一副回路内部循环。设置第三热交换器21，以便使该致冷流体向第一载热流体传递热量。
此外，该致冷流体通过第一空气热交换器11，以便把热量传递给通过第一空气热交换器11的环境空气流。另外，该致冷流体接着通过第一旁路13和内部热交换器15循环，在这里它把热量传给来自四通阀6并存在于内部热交换器15的致冷流体。同样，该致冷流体通过第二膨胀机构16，在这里它经受降压和降温。最后，该致冷流体到达第二空气热交换器5，后者能够冷却穿过它的空气流。因而，在“致冷”模式下，该第二空气热交换器5构成蒸发器。
该第一副回路22还包括散热器24，空气流2从其中穿过，按照空气流2的流动方向，配备在第二空气热交换器5的下游。
在“致冷”模式下，使第一泵23停止，以避免空气流2被散热器24加热。在“再加热”模式下，使泵24运行，使得该空气流2在第一时间用第二空气热交换器5冷却，接着用散热器24重新加热。
“再加热”模式的工作原理类似于采暖、通风和／或空气调节装置已知的“对空气(sur l'air)”类型的混合功能。但是，该“再加热”模式的工作原理同样可以类似于采暖、通风和／或空气调节装置已知的“对水(sur l'eau)”类型的混合功能。
图2表示空气调节热力学回路4在“采暖”模式下的配置。在这种安排下，该四通阀6使第四孔19与第二孔10连通。于是，致冷流体从四通阀6向第二空气热交换器5循环。
在“采暖”模式下，该致冷流体接着通过第二旁路17绕过第二膨胀机构16。在该同一模式下，致冷流体通过内部热交换器15，接着依次通过第一膨胀机构12，绕过第一旁路13、通过第一空气热交换器11和最后循环到四通阀6的第一孔9。该致冷流体接着从第一孔9向第三孔18循环。
于是，在“采暖”模式下，该压缩机3压缩通过第三热交换器21的致冷流体。在第三热交换器21的内部，该致冷流体向在第一副回路22内循环流动的第一载热流体传递热量。使该第一副回路22的第一泵23运行，使得第一载热流体向穿过散热器24的空气流2传递热量。
按照本发明一个推荐的实现模式，该第三热交换器21直接位于压缩机3的出口，使得较高温的致冷流体穿过第三热交换器21，以便优化散热器24对空气流2的加热。
按照这种安排，致冷流体通过第二空气热交换器5。因而，在“采暖”模式下，第二空气热交换器5构成散热器。按照空气流2的流动方向，该第二空气热交换器5配备在散热器24的上游，使得空气流2依次被第二空气热交换器5，接着被散热器24重新加热。
按照一个特别有利的实施例，第二空气热交换器5和散热器24中的各个温度上升。
接着，该致冷流体通过第二旁路17，接着通过内部热交换器15循环，在这里向来自四通阀6并存在于内部热交换器15的致冷流体传递热量。最后，该致冷流体重新汇合于第一膨胀机构12，在这里经受降压和降温。接着，该致冷流体达到第一空气热交换器11，它冷却环境空气并穿过第一空气热交换器11。
在“致冷”模式下，该第一空气热交换器11以散热器的方式起作用，但在“采暖”模式下，该第一空气热交换器11以蒸发器的方式起作用，
同样，在“致冷”模式下，该第二空气热交换器5以蒸发器的方式起作用，而在“采暖”模式下，该第二空气热交换器5以散热器的方式起作用。
在按照图1和4安排的实施例中，该第二空气热交换器5和散热器24设置在采暖、通风和／或空气调节装置1的外壳40内。
上述安排是，内部热交换器15改善空气调节热力学回路4按照图3上举例说明的热力学周期工作的性能系数，图3表示Mollier曲线图，识别致冷流体在空气调节热力学回路4内部经受的转变。
在举例说明的实施例中，该致冷流体是超临界流体，特别是二氧化碳等。但是，该致冷流体也可以是次临界流体等，而不违反本发明的规则。
热力学周期，在“致冷”模式下依次包括AB，BC，CD，DE，EF，FG和GA阶段，分别在压缩机3、第三热交换器21、第一空气热交换器11、内部热交换器15、第二膨胀机构16、第二空气热交换器5和再次在内部热交换器15内部实现。可以清楚地看出，内部热交换器15在空气调节热力学回路4中的存在，允许增大FA和BE转变的阶段，以便获得尽可能高的性能系数，依汽车的外部环境，特别是依外部温度，特别是大于或等于2，且特别是3至4。
在“采暖”模式下该致冷流体穿过按照图2的组件实现类似的热力学周期。
图4表示图1和2所示的空气调节热力学回路的第一实施方案的图解。按照这个替代方案，该第一副回路22装有储热模块25，配备具有相变化的材料，用以积聚热量用于以后释放。在这里第三热交换器21不能充分回收来自空气调节回路4的热量的条件下，这些安排允许提高空气流2的温度。
采暖、通风和／或空气调节装置1还包括借助于第四热交换器27与空气调节热力学回路4的第一部分相联系的第二副回路26。该第二副回路还包括第二泵28，允许使第二载热流体在第二副回路26内部循环，并向同样配备在该第二副回路26上的附属元件29，诸如电池组等提供冷量。
按照第一实施方式，该第四热交换器27允许从空气调节热力学回路4提取冷量，并将其转移到第二副回路26，特别是在“致冷”模式下。在“采暖”模式下，该第四热交换器27允许从空气调节热力学回路4提取热量，并将其转移到第二副回路26，于是允许向附属元件29提供热量。
图4表示按照可与图1的装置相比的配置在“致冷”模式下的安排。同样可以设想，带有可与图2的描述相比的装置按照“采暖”模式的安排。
图5至图7代表图1和2所示的空气调节热力学回路的第二和第三实施方案的图解。
按照这些实现方案，散热器24装在采暖、通风和／或空气调节装置1外壳40的第一空气管道30内，而第二空气热交换器5装在采暖、通风和／或空气调节装置1外壳40的第二空气管道31内。这样的安排特别适应“对空气”类型的混合。但是，“对水”类型的混合采用采暖、通风和／或空气调节1外壳40的这样一种安排，同样可以归入本发明的范围。
第一空气管道30和第二空气管道31分别有空气流2的第一部分32和第二部分33通过。在“致冷”模式下，空气流2的第一部分32用散热器24重新加热，而空气流2的第二部分33用第二空气热交换器5冷却。第一空气管道30配备可在关闭位置和开启位置之间操作的空气分配机构34和35，在关闭位置上，在图5至7中用虚线表示，其中空气流2的第一部分32通到第一空气管道30的内部，而开启位置在图5至7中用实线表示，空气流2的第一部分32全部或部分地从第一空气管道30排出到汽车外面。
这些安排允许降低第一空气热交换器11向外排放的热功率。其结果是，有可能降低第一空气热交换器11的外廓尺寸和／或降低致冷流体在第三热交换器21出口的温度。
该空气分配机构34和35可以由第一空气分配阀34和第二空气分配阀35组成。按照图5至7的实施例，该阀属于附图说明的信号旗类型的阀。同样可以合并使用单一的转鼓类型分配阀。此外，它可以具有所有其他形式的阀，特别是“信号旗”类型、“蝶阀”类型或“转鼓”类型。
按照图6和7所示的第三实施方案，该第一副回路22配备两个三通阀36，用以把第一副回路22与电动机38、特别是允许推进汽车的电动机的冷却回路37联系起来。附带地，电动机38配备有逆变器39。
该冷却回路37还包括第五空气热交换器42。第五空气热交换器42与电动机风机机组41耦合，以便使外部空气通过第五空气热交换器42，接着通过第一空气热交换器11循环。第五空气热交换器42和第一空气热交换器11最好设置汽车的前面。
在如图6所示的“致冷”模式下，三通阀36允许第一载热流体在第二副回路22和冷却回路37之间循环。因而，空气流2的第一部分32被散热器24重新加热，接着借助于空气分配机构34和35排出第一管道30外面，而空气流2的第二部分33在其被分配到车厢内部之前被在该模式下构成蒸发器的第二空气热交换器5冷却。
在电动汽车的情况下。这里冷凝功率可能为零，例如，当汽车长时间停驶时，可以利用第五空气热交换器42来至少部分地排除冷凝功率，这允许降低压缩机3的电耗，并因而，提高汽车的自主性。
在图7举例说明的“采暖”模式下，更具体地说，在汽车的起动阶段，该三通阀36允许最小流量的第一载热流体通过冷却回路37，以便允许第一副回路22迅速升温。电动机-风机机组41能够调节其运行速度，以便通过第五空气热交换器42出口处的第一载热流体最高温度，优化所耗散的冷凝能量。这些安排允许使第一副回路22回收的热功率最大化，更具体地说，使散热器24提供的用来加热空气流2第一部分32的热功率最大化。因而，空气流2的第一部分32在其分配到车厢内部之前被散热器24重新加热，这样一种分配是空气分配机构34和35所允许的，而空气流2的第二部分33在其被分配到车厢内部之前，被在该模式下同样构成散热器的第二空气热交换器5重新加热。
此外，在不违反刚刚说明的本发明的规则的情况下，一方面与第一旁路13有并联关系的第一膨胀机构12，而另一方面与第二旁路17有并联关系的第二膨胀机构16，可以分别用诸如恒温阀等单一零件代替。
很显然，本发明不限于上述只作为示例提供的实施方式，并包含本领域技术人员在本发明的范围内会想出的其他方案，特别是上述不同实施方式的所有结合。

Claims (12)

1.一种用于使致冷流体循环的空气调节热力学回路(4)，包括四通阀(6)，该四通阀允许使致冷流体在空气调节热力学回路(4)的第一部分(7)内部的循环方向逆转，该第一部分安排在该四通阀(6)的第一孔(9)和第二孔(10)之间并包括至少一个第一空气热交换器(11)和第一膨胀机构(12)，该空气调节热力学回路(4)的第一部分(7)包括内部热交换器(15)，配备在第一膨胀机构(12)和该四通阀(6)的第二孔(10)之间，而第二空气交换器(5)配备在内部热交换器(15)和该四通阀(6)的第二孔(10)之间，该空气调节热力学回路(4)包括还第二部分(8)，安排在四通阀(6)的第三孔(18)和第四孔(19)之间，包括至少一个压缩机(3)以及安排在该压缩机(3)和该四通阀(6)的第四孔(19)之间的第三热交换器(21)，其特征在于，该空气调节热力学回路(4)的第一部分(7)包括第二膨胀机构(16)，配备在内部热交换器(15)和第二空气交换器(5)之间，还在于该致冷流体和第一载热流体流经该第三热交换器(21)；其中该空气调节热力学回路(4)的第一部分(7)包括第四热交换器(27)，安排在第二空气交换器(5)和该四通阀(6)的第二孔(10)之间。
2.按照权利要求1的空气调节热力学回路(4)，其特征在于，该空气调节热力学回路(4)的第一部分(7)包括第一旁路(13)，该第一旁路与第一膨胀机构(12)并联。
3.按照权利要求1或2的空气调节热力学回路(4)，其特征在于，该空气调节热力学回路(4)的第一部分(7)包括第二旁路(17)，该第二旁路与第二膨胀机构(16)并联。
4.按照权利要求1的空气调节热力学回路(4)，其特征在于，该四通阀(6)可采取：
·该空气调节热力学回路(4)的第一运行位置，其中致冷流体在第一部分(7)内部依次从四通阀(6)的第一孔(9)经过第一空气交换器(11)、第一旁路(13)、内部热交换器(15)、第二膨胀机构(16)、第二空气交换器(5)和四通阀(6)的第二孔(10)循环；和
·该空气调节热力学回路(4)的第二运行位置，其中该致冷流体在第一部分(7)的内部循环，依次从该四通阀(6)的第二孔(10)经过第二空气交换器(5)、第二旁路(17)、内部热交换器(15)、第一膨胀机构(12)、第一空气交换器(11)和第一孔(9)。
5.按照权利要求1的空气调节热力学回路(4)，其特征在于，空气调节热力学回路(4)的第二部分(8)包括内部热交换器(15)，安排在第三孔(18)和压缩机(3)之间。
6.按照权利要求1的空气调节热力学回路(4)，其特征在于，致冷流体和第二载热流体流经该第四热交换器(27)。
7.一种采暖、通风和／或空气调节装置(1)，包括按照上列权利要求中任何一项的空气调节热力学回路(4)。
8.按照权利要求7的采暖、通风和／或空气调节装置(1)，其特征在于，该采暖、通风和／或空气调节装置(1)包括第一副回路(22)，第一载热流体在该第一副回路中循环。
9.按照权利要求8的采暖、通风和／或空气调节装置(1)，其特征在于，该第一副回路(22)包括储热模块(25)。
10.按照权利要求7至9中任何一项的采暖、通风和／或空气调节装置(1)，其特征在于，该采暖、通风和／或空气调节装置(1)包括第二副回路(26)，第二副回路包括散热器(24)，第二载热流体在其内部循环。
11.按照权利要求10的采暖、通风和／或空气调节装置(1)，其特征在于，该散热器(24)装在第一管道(30)的内部，该第一管道设有至少一个可在关闭位置和开启位置之间操作的空气分配机构(34，35)，在关闭位置上，穿过散热器(24)的空气流(2)被引向第一管道(30)内部；而在开启位置上，至少一部分空气流(2)从第一管道(30)被排至外部。
12.按照权利要求10的采暖、通风和／或空气调节装置(1)，其特征在于，该第二副回路(26)借助于两个三通阀(36)与汽车发动机(38)冷却回路(37)相联系。
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