CN103042897B - 冷却车辆中的空气的方法和用于车辆的空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明是在制冷循环中使用储冷单元（60）冷却车辆中的空气的方法。空调系统及其储冷单元适于根据车辆的运行而作业。该方法在系统的至少一运行模式中使用材料的相变加热产生过量的冷而存储在储冷单元（60）中。该过量的冷在至少一个其它运行模式中允许将供应空气冷却至舒适量。储冷单元（60）的这些充装/排放和相关的制冷循环能对应于车辆的消耗标准的最小化，例如，再生制动阶段和牵引/滑行阶段，或者可选地，根据制冷循环的可变冷凝容量的优化。

Description

冷却车辆中的空气的方法和用于车辆的空调系统

技术领域

本发明涉及冷却车辆中的空气的方法和车辆空调系统。

背景技术

诸如公共汽车、火车和有轨电车的公共运输车辆通常存在在短的旅行时间内高频率起动/停止的循环。这导致难以控制空调系统为乘客提供热舒适或者冷却容纳有发热设备的封闭空间(例如技术室)，同时限制空调系统的能耗。在整个旅行时间段上难以获得空调系统的高性能系数(COP)。这进一步导致难以管理车辆的能量载荷。

发明内容

本发明的目的是提出一种冷却车辆中的空气的方法，该方法降低能耗，同时允许为乘客提供良好的热舒适。

为此，本发明提供一种利用制冷回路冷却车辆中的内部空气的方法，该制冷回路用于运行至少一个制冷循环，该制冷循环包括：在压缩机中压缩制冷剂；在冷凝器中冷凝制冷剂；在膨胀装置中使制冷剂膨胀；并且在蒸发器中蒸发制冷剂以产生冷，所述方法包括：在第一阶段中运行第一制冷循环，用于产生过量的冷以冷却内部空气，并在储冷单元中存储过量的冷；并且在第二阶段中运行第二制冷循环，用于从储冷单元取回冷。

根据其它实施例，该方法包括单独考虑或者以任意技术可行组合考虑的一个或几个以下特征：

－在车辆的制动阶段，利用再生制动能量运行第一制冷循环，并且在车辆的滑行阶段和/或牵引阶段，运行第二制冷循环；

－在高冷凝容量阶段运行第一制冷循环，并且在低冷凝容量阶段运行第二制冷循环；

－该方法包括：使制冷剂在蒸发器中蒸发，在蒸发器中的制冷剂与流过蒸发器的空气之间传递热能，并且在蒸发器中的制冷剂与储冷单元之间传递热能；

－储冷单元是相变材料储冷单元；

－第一制冷循环包括以下步骤：

－在压缩机中压缩制冷剂；

－在混合器中将制冷剂与吸收剂混合；

－在吸收器中将制冷剂吸收到吸收剂中并且将混合物冷凝；

－在分离器中将混合物分离成制冷剂和吸收剂；

－在冷凝器中冷凝制冷剂；

－在膨胀装置中使制冷剂膨胀；并且

－在蒸发器中蒸发制冷剂；

－第一制冷循环包括：将热从压缩制冷剂传递到分离器中的混合物；

－混合步骤包括：将压缩制冷剂与在分离器中与制冷剂分离的吸收剂混合；

－该方法包括：将吸收剂供给至压缩机的润滑回路；

－第二制冷循环包括以下步骤：

－在压缩机中压缩制冷剂；

－在吸收器和/或冷凝器中将制冷剂冷凝；

－在膨胀装置中使制冷剂膨胀；并且

－在蒸发器中蒸发制冷剂。

本发明还涉及一种包括用于制冷剂循环的制冷回路的车辆空调系统，该制冷回路包括构造成运行上述方法的变速压缩机、冷凝器、膨胀装置和蒸发器、用于在车辆制动阶段期间回收能量并向压缩机供电的再生制动能量装置、储冷单元。

根据其它实施例，空调系统包括单独考虑或者以任意技术可行组合考虑的一个或几个以下特征：

－蒸发器包括蒸发器盘管，该蒸发器盘管用于使制冷剂循环，并且在制冷剂与在蒸发器盘管之间流动的空气之间交换热能，储冷单元构造成用于与蒸发器盘管中的制冷剂交换热能；

－制冷回路还包括：用于将离开压缩机的制冷剂与吸收剂混合的混合器；吸收器和用于将制冷剂与吸收剂分离的分离器，它们串联布置在制冷回路中，位于压缩机与冷凝器之间；并且

－其包括用于向混合器供给在分离器中从制冷剂分离的吸收剂的吸收剂线路。

本发明还涉及一种车辆，即有轨车辆，该车辆包括上述空调系统。

附图说明

在参照附图阅读以下仅以示例方式给出的描述时将更好地理解本发明及其优点，附图中：

图1是示意性示出包括用于实施本发明的调节空气的方法的空调系统的车辆的图；并且

图2和3在两个不同构造中示出了图1的空调系统。

具体实施方式

如图1所示，例如有轨车辆的车辆2包括空调系统4，空调系统4用于调节车辆2的乘客车厢中的空气。

空调系统4用于利用制冷流体或制冷剂运行制冷循环，用于产生冷并且将冷传递给吹入乘客车厢内的空气。

空调系统4包括用于使制冷剂循环的制冷剂回路6。制冷剂回路6包括压缩机8、混合器10、吸收换热器或者“吸收器”12、分离器14、冷凝换热器或者“冷凝器”16、膨胀装置18和蒸发换热器或“蒸发器”20。

压缩机8、混合器10、吸收器12、分离器14、冷凝器16、膨胀装置18和蒸发器20串联地流体连接成用于使制冷剂循环的回路布置。

吸收器12是允许在吸收器12的吸收器盘管22中循环的制冷剂与在吸收器盘管22外侧循环通过吸收器12的流体之间进行热传递的换热器。

冷凝器16是允许在冷凝器16的冷凝器盘管24中循环的制冷剂与在冷凝器盘管24外侧循环通过冷凝器16的流体之间进行热传递的换热器。

循环通过吸收器12和冷凝器16的流体通常是在乘客车厢外侧的外部空气。空调系统4至少包括用于迫使外部空气通过吸收器12和冷凝器16的吹风机26。

膨胀装置18例如是膨胀阀，优选是电子控制膨胀阀。

蒸发器20是允许在蒸发器20的蒸发器盘管28中循环的制冷剂与在蒸发器盘管28外侧循环通过蒸发器20的流体之间进行热传递的换热器。

循环通过蒸发器20的流体是被吹入乘客车厢中的空气。空调系统4至少包括用于迫使内部空气通过蒸发器20并进入乘客车厢的吹风机30。

混合器10构造成用于将制冷剂与吸收流体或者吸收剂混合成混合物，优选非共沸混合物。吸收剂是会允许制冷剂溶解在吸收剂中的流体。吸收剂例如是油，即润滑油，制冷剂例如是HFC气体。

在至少一个工作模式中，混合器10接收吸收剂和离开压缩机8的压缩制冷剂，并将压缩制冷剂与吸收剂混合成混合物。

分离器14构造成用于将制冷剂与吸收剂分离。分离器14具有用于接收混合物的混合物入口32、用于释放制冷剂的制冷剂出口34和用于释放吸收剂的吸收剂出口36。

任选地，制冷剂回路6包括布置成用于绕过分离器14的分离器旁通线路38A。分离器旁通线路38A在分离器14的混合物入口32与制冷剂出口34之间延伸。制冷剂回路6包括用于控制制冷剂选择性地通过分离器旁通线路38A或分离器14流动的分离器旁通叶片39A。

任选地，制冷剂回路6包括布置成用于绕过混合器10、吸收器12和分离器14的吸收器旁通线路38B。吸收器旁通线路38B在制冷剂回路6的与混合器10的入口连接的支路与分离器14的制冷剂出口34之间延伸。制冷剂回路6包括用于选择性地控制制冷剂通过混合器10和吸收器12或通过吸收器旁通线路38B流动的吸收器旁通叶片39B。任选地，制冷剂回路6包括布置在制冷剂回路6的从压缩机8的出口延伸到混合器10的高压线路41与分离器14的容器42之间的分离器换热器40。分离器换热器40用于将热能在高温高压下离开压缩机8的制冷剂与分离器14的容器中的流体之间传递。

空调系统4包括用于向混合器10供给吸收剂的吸收剂回路44。吸收剂回路44包括从分离器14的吸收剂出口36延伸到混合器10的吸收剂线路46、以及设置在吸收剂线路46上用于使吸收剂在吸收剂线路46中循环的泵48。

吸收剂回路44任选地在分离器14与混合器10之间包括用于冷却吸收剂的吸收剂换热器50。吸收剂换热器50设置在吸收剂线路46上，位于泵48的上游，泵48与吸收剂出口36之间。吸收剂换热器50用于在吸收剂与空气流之间的换热。吸收剂换热器50置于吸收器12和用于吹风机26的冷凝器16附近，吹风机26将空气吹过吸收器12、冷凝器16和吸收剂换热器50。

任选地，吸收剂与压缩机8的润滑剂流体相同，吸收剂回路44包括返回线路54，返回线路54允许从分离器14的吸收剂出口36向压缩机8的润滑回路供给吸收剂。

空调系统4还包括布置成用于与蒸发器盘管28中的制冷剂传递热能的储冷蓄积器或单元60。

储冷单元60是相变材料储冷单元。其包括容纳相变材料(PCM)64的储器62，该相变材料64在空调系统4的运行中在与蒸发器20中制冷剂的温度范围匹配的温度范围内变相。

蒸发器20具有供空气在蒸发器盘管28之间经过蒸发器20并且与蒸发器20中的制冷剂交换热能的空气通路66。空气通路66和储器62是分离的。蒸发器盘管28穿过空气通路66延伸以用于制冷剂/空气热交换，并且穿过储器62延伸以用于制冷剂/PCM热交换。

储冷单元60这样集成在蒸发器20中。蒸发器是组合的空气/制冷剂换热器和相变材料/制冷剂换热器。

储冷单元60适于在制冷剂的温度比相变材料的相变温度低时从制冷剂取冷，或者在制冷剂的温度比相变材料的相变温度高时向制冷剂放冷。

压缩机8是变速压缩机。压缩机8连接到电能源70和再生制动能回收装置72，再生制动能回收装置72适于在车辆的制动阶段期间将制动能转换成电能并向压缩机8供给所述电能。

再生制动能回收装置72传统上可包括发电机，该发电机适于在车辆2的轮组74上产生制动摩擦副，进而产生电力。

空调系统4包括用于控制空调系统4的不同设备，即压缩机8、混合器10、旁通阀39、泵48、吹风机26、30……的控制单元(未示出)。

空调系统4适于实施冷却车辆中的空气的方法，该方法包括：在某些情况下通过实施第一制冷循环产生过量的冷以冷却空气，将过量的冷存储在储冷单元60中，并且在其它情况下通过实施第二制冷循环以从储冷单元60回收冷。

空调系统4适于运行图2所示的第一制冷循环和图3所示的第二制冷循环。在图2和3中，在对应制冷循环中未使用的设备用虚线示出。

如图2所示，在第一制冷循环中，压缩机8以第一速度运行。泵48和混合器10启动，分离器旁通阀39A被控制而用于制冷剂流过分离器14。第一制冷循环因而包括：

－在压缩机8中压缩制冷剂；

－在混合器10中将制冷剂与吸收剂混合；

－在吸收器12中将制冷剂吸收到吸收剂中并且将混合物冷凝；

－在分离器14中将混合物分离成制冷剂和吸收剂；

－在冷凝器16中冷凝制冷剂；

－在膨胀装置18中使制冷剂膨胀；并且

－在蒸发器20中蒸发制冷剂。

蒸发制冷剂的步骤包括：同时地在制冷剂与空气之间传递热能以及在制冷剂与储冷单元60之间传递热能。

在第一制冷循环中，在混合器10、吸收器12和分离器14中，制冷剂与吸收剂混合。在制冷剂回路6的其余部分，从制冷剂移除吸收剂。

如图3所示，在第二制冷循环中，压缩机8以低于第一速度的第二速度运行，泵48和混合器10停止，并且任选地，分离器旁通阀39A被控制而用于制冷剂流过分离器旁通线路38A从而绕过分离器14。第二制冷循环因而包括：

－在压缩机8中压缩制冷剂；

－在吸收器12和冷凝器16中将制冷剂冷凝；

－在膨胀装置18中使制冷剂膨胀；并且

－在蒸发器20中蒸发制冷剂。

在第一制冷循环中，压缩机8以高转速运行并且消耗高功率。压缩机8供应大量的高温高压制冷剂，制冷剂回路6供应相对于所需的冷而言过量的冷。在第一制冷循环期间，过量的冷被储冷单元60存储。储冷单元60在第一制冷循环中充装。

在第二制冷循环中，压缩机8以较低转速运行并且消耗较低功率。压缩机8供应较少量的高温高压制冷剂，制冷剂回路6进而供应相对于所需的冷而言可能不足的较少量的冷。冷被储冷单元60提供到蒸发器20中的制冷剂，并且传递到经过蒸发器20的空气。储冷单元60在第二制冷循环中排放。

有利地，第一制冷循环在车辆的制动阶段中利用再生制动能运行以给压缩机8供电，第二制冷循环在车辆的滑行阶段和/或牵引阶段中运行。

还有利地，第一制冷循环在高冷凝容量的阶段中运行。冷凝容量取决于外部空气情况。外部空气情况可能随着车辆的行程而改变，例如由于行程的隧道路段而改变。可以检测冷凝容量，利用高冷凝容量的机会以利用有限的能耗实施第一制冷循环。在诸如公共运输中的车辆的重复行程中，可以确认行程的高冷凝容量路段，并根据行程时间或行程距离或者通过检测车辆进入高冷凝容量路段而启动第一制冷循环的运行。

储冷单元60因而作为用于根据冷过量还是不足而储存来自制冷剂的冷或者将冷释放到制冷剂的调节器来运行。集成到蒸发器20的储冷单元60是有效的，并且按照容易可控的方式运行。

储冷单元使用相变材料(PCM)的潜热能来存储最大能量。相变材料可以是水/冰或者其它相变材料，例如诸如石蜡的有机材料。

PCM通过蒸发器盘管28交换热能，从而产生高效率。蒸发器构造用于使蒸发器20中的制冷剂一方面与空气交换热能，另一方面分离地但是通过相同盘管地与PCM交换热能。

如图1－3所示，每个蒸发器盘管28交替地穿过空气通路和储冷装置若干次。

优选地，相变材料的相变温度在5℃与10℃之间选择。

吸收器12交替地在第一制冷循环中用作吸收器并且在第二制冷循环中用作冷凝器。

空调系统4还可操作以运行第三制冷循环，其中控制单元控制吸收器旁通阀39B，用于使制冷剂流过吸收器旁通线路38B从而绕过混合器10、吸收器12和分离器14。第三制冷循环因而顺序地包括：

－在压缩机8中压缩制冷剂；

－仅在冷凝器16中将制冷剂冷凝；

－在膨胀装置18中使制冷剂膨胀；并且

－在蒸发器20中蒸发制冷剂。

第三制冷循环可以作为降级模式运行，例如在吸收器12或分离器14故障的情况下运行。

空调系统4可操作以运行作为混合制冷/吸收循环的第一制冷循环。吸收技术允许管理由高速作业的压缩机供应的高温高压制冷剂的短时能量。吸收技术允许在吸收器盘管22中利用更高的等同压力和温度作业。

公共运输车辆在旅行期间高频率地起动/停止。交替地在制动阶段进行第一制冷循环并在牵引和/或滑行阶段进行第二制冷循环的方法允许在几次旅行中增加制冷剂回路的性能系数(COP)。压缩机8的能耗降低。

在牵引和/或滑行阶段和/或在高冷凝容量的阶段中利用制动再生能量实施第一制冷循环以存储冷并且将冷释放到制冷剂中的空调系统和方法允许车辆耗电的光滑的能量载荷需求曲线。

空调系统4在保持紧凑、低成本并且没有过大增加重量的情况下适于传统的制冷回路，该制冷回路包括压缩机、冷凝器、膨胀装置和蒸发器。

独立于再生制动能量回收，集成在蒸发器中的储冷单元是有利的。

因此，本发明总体涉及利用制冷回路冷却车辆中的空气的方法，该制冷回路用于利用制冷剂运行至少一个制冷循环，该方法包括：使制冷剂通过蒸发器蒸发，在蒸发器中的制冷剂与流过蒸发器的空气之间传递热能，并且在蒸发器中的制冷剂与储冷装置之间传递热能。

独立于再生制动能量回收或者高冷凝容量，组合了制冷循环和吸收技术的第一制冷循环也是有利的。

因此，本发明总体涉及利用制冷回路冷却车辆中的空气的方法，该制冷回路用于利用制冷剂运行至少一个制冷循环，该方法包括以下步骤：

－在压缩机中压缩制冷剂；

－在混合器中将制冷剂与吸收剂混合；

－在吸收器中将制冷剂吸收到吸收剂中并且将混合物冷凝；

－在分离器中将混合物分离成制冷剂和吸收剂；

－在冷凝器中冷凝制冷剂；

－在膨胀装置中使制冷剂膨胀；并且

－在蒸发器中蒸发制冷剂，并在储冷系统中存储冷。

本发明总体应用于车辆。

本发明尤其应用于电力和混合推进车辆，该车辆包括内在地适于产生制动再生能量的电马达。

本发明应用于有轨车辆，更一般地应用于诸如公共汽车、火车和有轨电车的公共运输车辆。

Claims (13)

1.利用制冷回路(6)冷却车辆中的内部空气的方法，该制冷回路用于运行至少一个制冷循环，该制冷循环包括：在压缩机中压缩制冷剂；在冷凝器中冷凝制冷剂；在膨胀装置中使制冷剂膨胀；并且在蒸发器中蒸发制冷剂以产生冷，所述方法包括：在第一阶段中运行第一制冷循环，用于产生过量的冷以冷却内部空气，并在储冷单元(60)中存储过量的冷；并且在第二阶段中运行第二制冷循环，用于从储冷单元(60)取回冷，

其中，在车辆的制动阶段，利用再生制动能量运行第一制冷循环，并且在车辆的滑行阶段和/或牵引阶段，运行第二制冷循环，

其中，该方法包括：使制冷剂在蒸发器(20)中蒸发，在蒸发器(20)中的制冷剂与流过蒸发器(20)的空气之间传递热能，并且在蒸发器(20)中的制冷剂与储冷单元(60)之间传递热能。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，在高冷凝容量阶段运行第一制冷循环，并且在低冷凝容量阶段运行第二制冷循环。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，储冷单元(60)是相变材料储冷单元(60)。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，第一制冷循环包括以下步骤：

－在压缩机(8)中压缩制冷剂；

－在混合器(10)中将制冷剂与吸收剂混合；

－在吸收器(12)中将制冷剂吸收到吸收剂中并且将混合物冷凝；

－在分离器(14)中将混合物分离成制冷剂和吸收剂；

－在冷凝器(16)中冷凝制冷剂；

－在膨胀装置(18)中使制冷剂膨胀；并且

－在蒸发器(20)中蒸发制冷剂。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，第一制冷循环包括：将热从压缩制冷剂传递到分离器(14)中的混合物。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，混合步骤包括：将压缩制冷剂与在分离器(14)中与制冷剂分离的吸收剂混合。

7.根据权利要求4所述的方法，该方法包括：将吸收剂供给至压缩机(8)的润滑回路。

8.根据权利要求4所述的方法，其中，第二制冷循环包括以下步骤：

－在压缩机(8)中压缩制冷剂；

－在吸收器(12)和/或冷凝器(16)中将制冷剂冷凝；

－在膨胀装置(18)中使制冷剂膨胀；

－在蒸发器(20)中蒸发制冷剂。

9.一种包括用于制冷剂循环的制冷回路(6)的车辆空调系统，该制冷回路(6)包括构造成运行根据权利要求1所述的方法的变速压缩机(8)、冷凝器(16)、膨胀装置(18)和蒸发器(20)、用于在车辆制动阶段期间回收能量并向压缩机(8)供能的再生制动能量装置(72)、储冷单元(60)。

10.根据权利要求9所述的车辆空调系统，其中，蒸发器(20)包括蒸发器盘管(28)，该蒸发器盘管用于使制冷剂循环，并且在制冷剂与在蒸发器盘管(28)之间流动的空气之间交换热能，储冷单元(60)构造成用于与蒸发器盘管(28)中的制冷剂交换热能。

11.根据权利要求10所述的车辆空调系统，其中，制冷回路还包括：用于将离开压缩机的制冷剂与吸收剂混合的混合器(10)；吸收器(12)和用于将制冷剂与吸收剂分离的分离器(14)，所述吸收器和分离器以串联构造布置在制冷回路(6)中，位于压缩机(8)与冷凝器(16)之间。

12.根据权利要求11所述的车辆空调系统，包括用于向混合器(10)供给在分离器(14)中从制冷剂分离的吸收剂的吸收剂线路(44)。

13.一种车辆，即有轨车辆，该车辆包括根据权利要求9所述的车辆空调系统。