CN102374691A - 用于电动车辆空气调节系统的具有自加热功能的加热和制冷回路 - Google Patents

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Abstract

本发明通过单独的一个空气调节机组利用加热和制冷回路产生加热和制冷两种效果。本发明在一个制冷循环下工作,产生加热和制冷两种效果,从而控制电动车辆乘客舱内的温度。本发明还包括自加热部件,以防止在外界温度下降到低于32°F时外部热交换器结冰。

Description

用于电动车辆空气调节系统的具有自加热功能的加热和制冷回路
技术领域
本发明涉及一般车辆乘客舱加热和制冷技术。 
背景技术
由不可再生能源的过度使用和开采导致的环境问题正变得严重,这导致我们的生存环境恶化并给人类社会带来了各种危害。对使用清洁能源并提高能源使用效率的需要变得紧迫起来。因为电动车辆用电,并且与由化石燃料供能的传统车辆相比,对环境具有更少的负作用,所以电动车辆正逐步变得流行起来。就对环境的影响而言,考虑到产生制冷和加热效果所需要的能量/电的量,电动车辆中现有的空气调节机组并不是高效能的。这些空气调节机组使用两个分离的系统,一个利用制冷剂循环来制冷,另一个利用分离的电加热器来加热,这就消耗了更多不必要的电,并且导致电动车辆电池的过度消耗。 
制冷循环利用流体制冷剂将热从一个地方转移到另一个地方。这种循环通常制冷一个地方,却使另一个地方变热,这常常被认为是空气调节机组的缺点。但是,反过来想想,这种循环也可以被用来将热从一个地方转移到另一个地方,这就是本发明的加热模式的原理。通过使流通方向反转,能够在不消耗过多能量的情况下获得加热和制冷两种效果。 
本发明通过单独的一个空气调节机组利用加热和制冷回路产生加热和制冷两种效果。其在一个制冷循环下工作,产生加热和制冷两种效果,从而控制电动车辆乘客舱内的温度。本发明还包括自加热器件,以防止在外界温度降低到低于32°F时外部热交换器结冰。 
美国专利申请公开号2009/0260386(下文称为Wittmann)公开了一种 用于机动车辆的加热和空气调节设备,其由制冷回路组成,在该制冷回路中,制冷剂在蒸发单元、冷却单元和可逆单元之间流通。然而,与本发明不同,Wittmann设备通过使用次级液体回路获得温度交换。在一定程度上,它类似于HVAC冷水式机组,其对罐内冷水制冷或加热,然后把水送到建筑物的不同楼层。另一方面,本发明利用相同的流通路径通过改变制冷剂流过换向阀的方向来产生加热和制冷两种效果。 
在美国专利No.5,284,025(下文称为Kajitani)中,公开了一种空气调节系统,包括压缩机、外部空气热交换器、膨胀阀、内部热交换器、内部热交换风扇以及四通开关。虽然Kajitani系统被描述为用于电动的机动车辆,但是它与本发明的区别在于:其通过选择两个分离的空气管道而在加热和制冷模式之间切换,其中一个空气管道从传动轴马达捕获热空气来加热,而另一个空气管道捕获外部的流动空气来制冷。与此不同,本发明利用相同的热交换器和制冷回路,通过改变制冷剂流过换向阀的方向来产生加热和制冷两种效果。 
美国专利No.6,418,745(下文称为Ratliff)也公开了一种热泵系统,该系统能够在加热模式或制冷模式之间切换。但是,与本发明不同,Ratliff系统通过使用具有双活塞头的四腔热力压缩机来达到加热和制冷的目的。 
发明内容
本发明包括一种用于电动车辆的加热和制冷空气调节系统,其具有源于相同的制冷循环的加热和制冷两种性能,该系统比利用两个分离系统(制冷循环和电暖气)的现有的空气调节机组节省了更多的能量。 
该系统包括热交换器,以在制冷模式或者加热模式下分别给乘客车厢导气管提供冷却的空气或者加热的空气。乘客可以选择加热或者制冷作为制冷循环的操作模式。 
该系统利用相同的流通路径,通过改变制冷剂流过换向阀的方向产生加热和制冷两种效果。当选择加热模式时,直流电(DC)电动压缩机所提供的压缩的气态制冷剂被提供给换向阀,在换向阀中,将气态的制冷剂伴 随着高温/高压导入乘客车厢的热交换器内。在乘客车厢内,气态的制冷剂利用来自鼓风机的气流释放热能。在热被释放之后,气态的制冷剂变为液态的制冷剂,然后通过细长管伴随着低温/低压进入外部热交换器,并利用来自轴流式风机的气流从外界大气吸收热能。液态的制冷剂变为气态的制冷剂,并且通过换向阀回到压缩机以再次开始新的循环。 
在加热操作期间,如果外部热交换器表面温度降至低于32°F,外界大气中的水分可能在外部热交换器上结冰。当外界温度降至低于大约40°F时,流量阀将会打开,将热的气态制冷剂供应给加热交换器,其中热能将通过轴流式风扇吹动的气流传递到附近的外部热交换器。外部热交换器吸收热能后就不会结冰。 
当选择制冷模式时,直流电(DC)电动压缩机所提供的压缩的气态制冷剂被提供给换向阀,在换向阀中,将气态制冷剂伴随着高温/高压导入外部热交换器内。然后气态的制冷剂利用来自轴流式风机的气流将热能释放给外界大气。在热被释放之后,气态制冷剂变为液态制冷剂,然后通过细长管伴随着低温/低压进入乘客车厢热交换器,并利用来自鼓风机的气流从乘客舱吸收热能。液态的制冷剂变为气态的制冷剂,并且通过换向阀回到压缩机以再次开始新的循环。 
根据本发明的一个方面,加热和制冷供应方法包括在封闭循环系统中流通制冷剂,所述封闭循环系统包括乘客舱热交换器和外部热交换器。流通步骤仅仅通过利用直流电(DC)电动压缩机压缩气态制冷剂完成。 
根据本发明的另一方面,通过换向阀控制热交换器的加热和制冷之间的切换。 
根据本发明的另一方面,通过细长管完成制冷剂从液态到气态的改变。 
根据本发明的另一方面,通过细长管而不是惯用的膨胀阀来完成制冷剂的压力从高到底的改变。 
根据本发明的另一方面,加热交换器利用系统本身的气态制冷剂给外部热交换器提供热,这种方法防止在外部温度降低到低于32°F时外部热交 换器结冰。 
附图说明
在下文中参照附图对本发明的实施例进行更加详细的描述,其中: 
图1是本发明的实施例的加热和制冷回路的示意图; 
图2是加热模式期间制冷剂的流通路径的示意图;以及 
图3是制冷模式期间制冷剂的流通路径的示意图。 
具体实施方式
在下面的描述中,以优选例子的形式对加热和制冷空气调节系统进行说明。对于所属领域的技术人员而言,显而易见地,可以进行包括附加和/或替换的修改,而不背离本发明的范围和精神。为了不使本发明模糊不清,可以省略具体的细节;但是,所撰写的公开内容要使所属领域技术人员能够实现这里的教导,而无需过多的实验。 
参照图1,在该加热和制冷空气调节系统中,乘客车厢热交换器5临近鼓风机10,乘客车厢热交换器5通过流量阀12与加热交换器11的一端相连、并通过流量阀13与加热交换器11的另一端相连,换向阀2和6能够在加热模式和制冷模式之间切换,高压开关8和低压开关7用于控制直流电电动压缩机1,压缩机1的两端分别通过高压开关8和低压开关7连接到换向阀的两端,换向阀的另外两端分别连接到乘客车厢热交换器5和外部热交换器3,外部热交换器3临近轴流式风机9,并通过细长管4与乘客车厢热交换器5连接。 
参照图2,冷却的液态制冷剂通过细长管4进入外部热交换器3。当在外部热交换器3内时,液态制冷剂吸收热,同时从液态变为气态。热来自外界大气气流,该气流来自轴流式风机9。当空气通过冷的外部热交换器3时,空气释放出它的一些热,并且水分可以从其凝结。较冷和较干的空气通过轴流式风机9排进外界大气。气态制冷剂现在通过换向阀6进入压缩机1(它基本上是一种提高压力的泵)。一旦气态制冷剂通过压缩机1, 制冷剂就处于系统的“高”(压)区。来自压缩机的增加的压力使气态制冷剂的温度升高。当气态制冷剂离开压缩机1时,制冷剂变成热的气态。热的气态制冷剂现在通过换向阀6循环回去流进乘客车厢热交换器5,并且在乘客车厢热交换器5处冷凝。当它冷凝时,热的气态制冷剂给通过鼓风机10吹动的车厢内空气放热。车厢内空气从乘客车厢热交换器5吸收热,并排放到乘客舱内。当制冷剂离开乘客车厢热交换器5时,它变成液态制冷剂,但是仍然处于压力下。然后制冷剂到达细长管4。细长管4使高压制冷剂变为低压的冷却的液态。当冷却的液态制冷剂再次进入外部热交换器3以从外界大气获取热时,循环完成。 
总之,乘客车厢热交换器5和外部热交换器3是在制冷剂在液态和气态之间改变状态的情况下,通过蒸发和冷凝来吸收或释放热。压缩机1和细长管4造成压力改变,其中压缩机1增加压力,而细长管4降低压力。换向阀2和6用来改变乘客车厢热交换器5和外部热交换器3之间的压力循环。 
在加热模式操作中,如果外界温度降低到低于32°F,那么外界大气中的水分可能凝结并在外部热交换器3上结冰。当外界大气降到低于大约40°F,流量阀12将会打开,并且将热的气态制冷剂从换向阀6供应到加热交换器11,在其中制冷剂释放热并冷凝。释放的热然后通过由轴流式风机9吹动的传导气流被外部热交换器3吸收。吸收的热使外部热交换器3解冻。在制冷剂离开加热交换器11之后,它变得较冷,然后通过流量阀13到达连接的细长管4的入口,再次加入制冷剂的主要循环回路。 
参照图3,冷却的液态制冷剂通过细长管4进入乘客车厢热交换器5。当在乘客车厢热交换器5内时,液态制冷剂吸收热,同时从液态变为气态。热来自乘客车厢内温暖潮湿的空气,乘客车厢内的空气借助鼓风机10通过乘客车厢热交换器5流通。较冷和较干的车厢内空气借助鼓风机10再流通进车厢内,以制冷乘客舱。气态制冷剂现在通过换向阀2进入压缩机1(它基本上是一种提高压力的泵)。一旦气态制冷剂通过压缩机1,制冷剂就处于系统的“高”(压)区。来自压缩机1的增加的压力使制冷剂的温度升高。当制冷剂离开压缩机1时,制冷剂变成热的气态。热的气态制 冷剂然后通过换向阀2循环回流进外部热交换器3,并且在外部热交换器3处冷凝。当它冷凝时,热的气态制冷剂给通过轴流式风机9吹过的外界空气放热。外界空气从外部热交换器3吸收热。当制冷剂离开外部热交换器3时,它变得较冷,但是仍然处于压缩机1所提供的压力下。然后制冷剂到达细长管4。细长管4使高压制冷剂变为低压的冷却的液态。当压力降低时,制冷剂变冷。当冷却的液态制冷剂再次进入乘客车厢的热交换器5并从车厢吸收热时,循环完成。 
总之,乘客车厢热交换器5和外部热交换器3是在制冷剂改变状态的情况下,通过蒸发和冷凝来吸收或释放热。压缩机1和细长管4造成压力改变,其中压缩机1增加压力,而细长管4降低压力。换向阀2和6用来改变乘客车厢热交换器5和外部热交换器3之间的压力循环。 

Claims (3)

1.一种用于电动车辆的加热和制冷空气调节系统,其包括:
外部热交换器,
轴流式风机,
乘客车厢热交换器,
鼓风机,
换向阀,
压缩机,
细长管,
连接外部热交换器、换向阀、压缩机、乘客车厢热交换器和细长管的第一段制冷管道回路,以及
制冷管道回路内的制冷剂;
其中,在加热模式期间,乘客舱的加热通过以下步骤获得:
液态形式的制冷剂通过细长管导入外部热交换器内,并利用由来自轴流式风机的气流辅助的外界大气被加热成气态形式,
气态形式的制冷剂通过换向阀从外部热交换器导入到压缩机内,并被加压成热的气态形式,
热的气态形式的制冷剂通过换向阀从压缩机导入到乘客车厢热交换器内,
热的气态形式的制冷剂将热能释放到鼓风机吹动的空气内,并冷凝成液态形式,
液态形式的制冷剂被引导回细长管内,循环完成;
其中,在制冷模式期间,乘客舱的制冷通过以下步骤获得:
冷却的液态形式制冷剂通过细长管进入乘客车厢热交换器内,从由鼓风机吹动的乘客舱内空气吸收热,并变为气态形式,
气态形式的制冷剂通过换向阀从乘客车厢热交换器导入到压缩机内,并被加压成热的气态形式,
热的气态形式的制冷剂通过换向阀从压缩机导入到外部热交换器内,并利用由来自轴流式风机的气流辅助的外界大气被冷凝成液态形式,以及
液态形式的制冷剂被从外部热交换器引导回细长管内,并进一步冷却成冷凝的液态形式,循环完成。
2.根据权利要求1所述的加热和制冷空气调节系统,还包括:
加热交换器,
第一流量阀,
第二流量阀,以及
连接所述换向阀、第一流量阀、加热交换器、第二流量阀和所述细长管的第二段制冷管道回路。
3.根据权利要求2所述的加热和制冷空气调节系统,
其中,在加热模式以及外界温度低于40°F期间,所述第一流量阀打开并使所述热的气态形式的制冷剂从所述换向阀流入到所述加热交换器内,以使所述外部热交换器解冻;以及
其中,在加热模式以及外界温度低于40°F期间,所述第二流量阀打开并使所述液态形式的制冷剂从所述加热交换器流入到所述细长管内。
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