CN103090579A - 电动汽车的空调热泵系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电动汽车的空调热泵系统，其包括通过制冷剂连接管路顺序连接的压缩机(1)、四通阀(2)、其上安置有室外风机(4)的室外风冷换热器(3)、单向阀组、具有主节流元件(9)的节流流路、其上安置有室内风机(11)的室内风冷换热器(10)，从而能在该空调热泵系统中相应地提供制冷和第一制热模式。该压缩机(1)还包括补气入口(1’)，该空调热泵系统还包括设有补气装置的补气流路，该补气流路的一端在该主节流元件之前连接到所述节流流路，且另一端连接到该补气入口从而可选择性地向所述压缩机提供高于所述低温低压气体的气体以提供第二制热模式。

Description

电动汽车的空调热泵系统

技术领域

本发明涉及空调热泵领域，尤其是涉及电动汽车的空调热泵系统。

背景技术

汽车空调系统是保证车内驾驶人员和乘客舒适性的重要保障系统。传统燃油汽车空调系统由汽车发动机带动，通过消耗燃油来提供空调系统所需动力，夏季向车内供冷；冬季，利用发动机余热向车内供暖。而电动汽车，是全部或部分以电力来作为驱动系统动力源的汽车，尤其是纯电动驱动电动汽车，由于无发动机余热可以利用，因此如何解决电动汽车的冬季供暖问题十分重要。

目前电动汽车冬季供暖主要采用PTC(正温度系数)电热供暖，但是PTC电热供暖需要大量消耗电动汽车电池储备的电能，这将使电动汽车的行驶距离大为缩短。而空气源热泵由于能够以较低的能耗满足车内的供暖需求，正在引起大家关注。例如在中国专利公开号CN101324382A中公开了一种汽车热泵空调系统，其对原有的空调热泵系统做出了改进，具体而言是增加了由四个单向阀所构成的单向阀组，并且将原来空调热泵系统中的双向膨胀阀替换为普通膨胀阀，以试图解决原有的双向膨胀阀系统的制冷和制热不均衡的情形。

但是，在普通空气源热泵在车外温度较低时，压缩机排气温度过高造成系统无法正常工作，并且，随着车外温度降低，热泵系统制热量和制热效率迅速下降，无法满足车内供暖要求，这样就影响了空气源热泵在电动汽车空调系统中的应用。而包括上述公开的文献在内的先前的车辆热泵空调系统均不能很好地应对这种情况。

为了解决上述空气源热泵在低温车外环境下的问题，满足车内供暖需求，希望提供一种利用低温空气源的空调热泵技术方案，其能够有效地应对较常规的低温状况更低的车外或室外低温情况。

发明内容

因此，本发明的任务是提供一种能够解决上述技术问题的空调热泵系统，尤其是电动汽车空调热泵系统。

根据本发明的一个方案，提供一种电动汽车的空调热泵系统，包括通过制冷剂连接管路顺序连接的压缩机、四通阀、其上安置有室外风机的室外风冷换热器、单向阀组、具有主节流元件的节流流路和其上安置有室内风机的室内风冷换热器，用于在该空调热泵系统中相应地提供制冷模式和第一制热模式(普通制热模式)，其中，该压缩机的出口连接该四通阀的第一阀口，该室外风冷换热器和该室内风冷换热器分别连接该四通阀的第二和第三阀口，该压缩机具有与该四通阀的用于回流的第四阀口连接而被供应低温低压气体的主入口。压缩机还包括补气入口，该空调热泵系统还包括设有补气装置的补气流路。补气流路的一端在该主节流元件之前连接到该节流流路，另一端连接到该补气入口从而向该压缩机提供高于该低温低压气体的气体以提供低温制热模式。

通过采用本发明的热泵系统不仅具有普通热泵系统在夏季制冷和冬季普通工况下制热(以下简称为普通制热)的模式，而且能够在车外温度较低时正常运行，并提供保证车内供暖需求的低温制热模式。

根据一个实施例，单向阀组包括第一、第二、第三、第四单向阀以及并联设置的两条单向阀流路，该第一和第三单向阀以流入侧相面对的方式串联设置在一条单向阀流路中，而第二和第四单向阀以流出侧相面对的方式串联设置在另一条单向阀流路中，其中所述节流流路的两端分别在第一和第三单向阀之间以及第二和第四单向阀之间连接到这两条单向阀流路。

根据本发明的一个优选实施例，该补气装置包括依次布置的补气阀和补气节流元件。

更优选地，空调热泵系统还包括用于节流流路和补气流路经过并换热的中间冷却器。优选，该节流流路还包括设置在所述主节流元件之前的储液干燥器，且该补气流路在该储液干燥器之后连接到所述节流流路。

根据本发明的另一个优选实施例，所述补气装置包括具有顶部出口和底部出口的闪蒸分离器，该顶部出口通过该补气流路连接到所述补气入口，而该底部出口连接到所述主节流元件。

根据本发明的又一个优选的实施例，该节流流路还包括设置在所述主节流元件之前的贮液器，且该补气装置包括喷射器，该喷射器具有连接到该贮液器的第一入口、连接到该气液分离器的第二入口和连接到该补气入口的出口。

优选地，所述压缩机为电动变频压缩机。更优选地，该电动变频压缩机是涡旋式、螺杆式、旋叶式、滚动活塞式、或三角转子式压缩机等。

优选地，所述主节流元件选自热力膨胀阀、电子膨胀阀和节流短管中的任何一种。

根据本发明的一个优选实施例，在所述压缩机的主入口和/或补气入口前设置有用于防止对压缩机造成液击的气液分离器。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1示出了使用低温空气源的汽车空调热泵系统的第一实施例；

图2a为图1所示系统的理论循环下的压焓图；

图2b为图1所示系统的理论循环下的温熵图；

图3示出了使用低温空气源的汽车空调热泵系统的第二实施例；

图4示出了使用低温空气源的汽车空调热泵系统的第三实施例。

具体实施方式

图1-图4示出根据本发明的优选实施例。本领域技术人员将可以理解这些附图是用于本发明实施例以及的说明和解释，而不应构成限制。

本发明所用的术语“过冷”、“高温”、“高压”、“低温”和“低压”是指在空调热泵领域为本领域技术人员所知的含义，在说明书和权利要求中使用这些术语将是清楚的。具体而言，如果这些术语涉及热泵所用的制冷剂，则“高压”的制冷剂大体上指在制冷或制热循环中从压缩机出来并且直至主节流元件的制冷剂，“低温”的制冷剂大体上指经过该主节流元件节流之后回到压缩机并从压缩机主入口送入之前的制冷剂，“高温”和“过冷”则分别涉及在制冷或制热循环中在主节流元件上游的换热器之前和之后的制冷剂状态。为此，在本发明中还引入术语“中温”和“中压”的制冷剂，该状态是指比上述“高温”和“高压”低、但比上述“低温”和“低压”高的温度和压力。此外，本发明所提到的“低温制热”模式是指车外或室外温度比本发明所提到的常规“制热”模式的车外或室外温度低的制热模式。

类似于现有的空调热泵系统，在本发明中的制冷剂在制冷和制热循环(包括本发明所特有的补气流路)中相应地可处于气态、液态和气液混合状态，因此在所用术语“蒸气”和“气体”则总体上指在某一位置中该制冷剂处于气态，但不排除在该位置中大部分制冷剂(例如90％体积)处于气态而仍有少部分的液态制冷剂的情况；类似地，“液体”和“液态”则总体上指在某一位置中该制冷剂处于液态，但不排除在该位置中大部分制冷剂(例如至少90％体积)处于液态而仍有少部分的气态制冷剂的情况；相应地，则“气液混合”的状态则是指在该位置分别具有显著量的“液态”和“气态”(例如大于10％体积)制冷剂。

现结合附图参考本发明的多个实施例以更好地理解本发明的思想。

实施例1：在图1中示出了使用低温空气源的汽车空调热泵系统，该空调热泵系统包括带有一种节流装置的节流流路以及中间冷却器，从而该空调热泵系统可实现“准双级压缩”的电动汽车空调热泵系统，由此除了现有能实现的制冷和制热(第一制热或者说普通制热)模式之外，该实施例通过补气装置于是能够实现根据本发明的低温(第二)制热模式。

如附图1所示，根据本发明的使用低温空气源的电动汽车空调热泵系统，包括通过制冷剂连接管路顺序连接的压缩机1、四通阀2、其上安置有室外风机4的室外风冷换热器3、单向阀组5、5’、6和6’(将在下文描述其配置)、具有依次布置的储液干燥器7和主节流元件9的节流流路、其上安置有室内风机11的室内风冷换热器10、和气液分离器12，并且气液分离器12的出口又与压缩机的主入口连通从而能在空调热泵系统中相应地提供制冷和第一制热模式。其中，该气液分离器12是优选设置用于防止在压缩机内造成液击的机构。如图1所示，压缩机1的出口连接四通阀2的第一阀口，室外风冷换热器3和室内风冷换热器10分别连接该四通阀2的第二和第三阀口，气液分离器12的一端与四通阀2的用于回流的第四阀口连接而另一端与压缩机1的主入口连接以提供低温低压气体。

在所示的附图中，单向阀组包括第一单向阀5、第二单向阀6、第三单向阀5’、第四单向阀6’以及并联设置的两条单向阀流路，该第一和第三单向阀5、5’以流入侧相面对的方式串联设置在一条单向阀流路中，而第二和第四单向阀6、6’以流出侧相互面对的方式串联设置在另一条单向阀流路中，而节流流路的两端分别在第一和第三单向阀5、5’之间以及第二和第四单向阀6、6’之间连接到这两条单向阀流路。从而来自于室外换热器3的制冷剂将仅能从第二单向阀6流过，并流经节流流路和第三单向阀5’后流到室内换热器10；相应地，来自于室内换热器10的制冷剂将仅能从第四单向阀6’流过，并流经节流流路和第一单向阀5后流到室外换热器3。尽管示出为这种单向阀组配置，但是其它能够在各个模式下使得制冷剂能够流过节流流路的单向阀组配置也是可行的。

此外在图1中，压缩机1还包括补气入口1’。优选地，在补气入口1’前可以设置类似于上述气液分离器12或者其它任何合适的气液分离器。此外，该空调热泵系统还包括设有补气装置的补气流路，该补气流路的一端在储液干燥器7之后且在主节流元件9之前连接到节流流路，而另一端连接到该补气入口1’，从而向压缩机提供高于低温低压气体的气体以提供第二制热模式，即所谓的低温制热模式。在该实施例中，补气装置是依次安置在补气流路中的补气阀13和补气节流元件14。此外，该系统还提供中间冷却器8，以用于节流流路和补气流路经过并换热。此外，还在图1所示实施例的系统中选取各个位置点a～g及b′、f′、g′作为各状态点，并将在下文结合图2a和2b从理论上说明本发明的运行和优点。

在本发明的电动汽车低温空气源空调热泵系统中，压缩机可以为电动变频压缩机，优选可以是涡旋式、螺杆式、旋叶式、滚动活塞式、三角转子式等型式压缩机。此外，压缩机的补气入口可以在压缩机的中间适当位置设置。而节流元件可以选自热力膨胀阀、电子膨胀阀和节流短管中的任何一种或者其组合。

下面将分别描述，本发明的系统在制冷、第一制热和第二制热模式下的运行以及其中各部件和制冷剂的状态。

在制冷模式(在夏季时)下，低温低压的气态制冷剂由压缩机1压缩成为高温高压的气态制冷剂，经四通阀2流入车外风冷换热器3，经室外空气的冷却、冷凝成为过冷高压液体，再通过第二单向阀6进入储液干燥器7中，由储液干燥器7流出的高压液态制冷剂流经中间冷却器8的高压液体通道，经主节流元件9节流降压成为低温低压的气液混合制冷剂，并经第三单向阀5’进入车内风冷换热器10，在此在液态下的制冷剂吸收热量蒸发成为低温低压的气态制冷剂，实现给车内供冷的目的；低温低压的气态制冷剂经四通阀2、气液分离器12返回压缩机1中，完成制冷循环。

类似地，在第一制热模式(例如普通的冬季制热工况)下，其系统工作原理类似于普通热泵系统。低温低压的气态制冷剂由压缩机1压缩成为高温高压的气态制冷剂，经四通阀2进入车内风冷换热器10，在此高温高压的气态制冷剂释放热量冷却成为高温高压液体，实现给车内供热的目的；高温高压制冷剂液体经第四单向阀6’进入储液干燥器7中，由储液干燥器7流出的高压液态制冷剂流经中间冷却器8的高压液体通道，进入主节流元件9节流降压成为低温低压的液态与气态混合制冷剂，再经第一单向阀5进入车外风冷换热器3中，液态制冷剂蒸发吸收车外空气热量成为低温低压的气态制冷剂，再流经四通阀2、气液分离器12返回压缩机1中，完成制热循环。

更进一步地讲，在根据本发明的第二低温制热模式下(例如在严寒冬季制热工况下)，该系统变为“准双级压缩”的低温热泵系统。此时，补气阀13打开。低温低压的气态制冷剂由电动变频压缩机1压缩后先按照上述的第一制热模式进行制热循环，但当高温高压制冷剂液体进入储液干燥器7之后，由储液干燥器7流出高压制冷剂液体分为两路，即大部分的高温高压液态制冷剂仍旧沿节流流路(经过中间换热器8)流到主节流元件9，而小部分旁通到补气流路且经补气阀13通过补气节流元件14进行节流成中温中压的气液混合制冷剂；之后该中温中压的气液混合制冷剂进入中间冷却器8的中温中压制冷剂通道，从而吸收流经中间冷却器8的高温高压制冷剂通道内的上述高温高压液态制冷剂的热量而蒸发(同时使还该高温高压液态制冷剂得到充分的过冷)，蒸发形成的中温中压制冷剂蒸气通过辅助进气口1′返回到压缩机1，与来自气液分离器12中的低温低压制冷剂蒸气混合。而上述的大部分高压液态制冷剂在流经中间冷却器8的高温高压制冷剂通道并得到充分过冷后，流经主节流元件9节流降压成为低温低压的液态与气态混合制冷剂，通过第一单向阀5后再进入车外风冷换热器3中，在此液态制冷剂吸收车外空气的热量蒸发成低温低压的气态制冷剂，再流经四通阀2、气液分离器12返回到压缩机1中，完成制热循环。

现在结合图1并具体参见图2a和2b来说明根据本发明的电动汽车空调热泵系统在低温制热模式下的理论循环。在此需要说明，尽管下文描述了该系统的理论情况，但是其只应视作是解释和说明上述空调热泵系统的运行以及优点，不应理解为本发明的空调热泵系统必须能严格实现这些配置和效果。在图2a所示的压焓(lgP-h)图中，来自储液干燥器7的高压液态制冷剂(状态点c)分两路，一路通过补气阀13和补气节流元件14节流后变为气液两相混合物f，再经过中间冷却器和制冷剂主回路中的液态制冷剂热交换之后完全气化为制冷剂蒸气f′，回到压缩机中间的补气入口与主入口的制冷剂蒸气g进行混合到状态g′(其中g和g′两位置点是指在压缩机内的状态，在图1未示出)，再经过压缩机压缩至状态b；一路为制冷剂主回路，液态制冷剂在中间冷却器冷却过冷后至状态点d，经过膨胀阀节流到状态点e，然后进入车外换热器吸热气化后至状态a，之后如果不与补气入口的蒸汽混合则进入压缩机压缩至状态b’(由于b’为假设情况，故在图1中未示出)。而从图2b的温熵(T-S)图可以看出，点a所对应的为低温吸气工况，当不经过补气时，从点a压缩到排气压力P_k所对应的点为b’，此时所对应的排气温度为T₁；而通过中间补气，可以将吸气温度提高到g’点，此时再压缩到排气压力P_k所对应的点为b，此时所对应的排气温度为T₂，很明显，采用中间补气提高吸气温度后排气温度降低，而且压缩功耗也可以降低。可以看出，与单级压缩相比，采用这种“准双级压缩”之后压缩机排气温度也大为降低(从状态b′变为状态b)，从而保证了热泵系统在低温环境下的正常运行；并且这种准双级压缩可以节省压缩机耗功(图中阴影部分g-g′-b-b′所示)，主回路过冷液态制冷剂提高了单位质量流量制冷剂吸热量，提高了低温工况下制热量和制热效率。

对于现有不含有补气技术的空调热泵系统，随着蒸发温度(受车外温度的制约)的降低，进入压缩机的制冷剂比容变大，从而导致压缩机每周期吸气量下降，如果压缩机的转速保持不变，将导致整个系统制冷剂流量减小，系统制冷剂流量的减小最终导致系统制热量的下降，即单位制冷剂从蒸发侧吸收的热量将逐渐降低，单位制冷剂压缩功将增加，从而导致机组的制热量和性能系数(COP)降低。且，当工作于低温工况时，压缩机大大偏离正常压缩，处于欠压缩状态，系统外压比由正常的3～4增加到8以上，压缩机的内容积比效率将降至75％左右，严重影响压缩机指示效率和整体效率。

也就是说，普通制热工况时，从环境中吸取的热量足以保证车内(或室内)的供热需求，因此不需开启补气装置，储液干燥器流出的高温高压制冷剂液体经主节流阀节流后去室外换热器吸热气化；低温工况时，如果还是保持普通制热循环模式，将导致供热不足，因为制冷剂蒸发温度同外界环境温度之间的差值变小，制冷剂从空气中的吸热量减少。因此，为了保持低温工况时的吸热量，有必要降低制冷剂蒸发温度。通过可选择性地通断的本发明的补气装置，其能在补气流路打开时给压缩机提供中温中压气体，通过例如图2a和2b所示的变换，可以降低经压缩机出来的制冷剂温度。从能量守恒角度上说，整个储液干燥器中的制冷剂液体能量不会有变化，但是，主回路和补气回路两路的制冷剂状态(包括温度、压力)发生了变化，这可以提高单位制冷剂从蒸发侧吸收的热量而且压缩功耗也可以降低。

实施例2：在图3中示出了汽车空调热泵系统第二实施例。

其构造与上述实施例基本类似，除了用闪发蒸气分离器16替代了上述的补气阀13通过补气节流元件14作为补气装置。该闪蒸分离器16包括顶部出口和底部出口。该顶部出口连接到所述补气入口，而该底部出口连接到所述主节流元件。此外优选的是，该节流流路还在闪蒸分离器16的上游设置有第二节流元件15。

由此，该空调热泵系统在制冷和第一制热模式与上述实施例基本一致，在这里不再赘述。

需要特别指明的是，上述结构区别带来工作上的主要区别是，在第二、低温制热模式下，通过从闪发蒸气分离器16的顶部出口将中温中压的制冷剂饱和蒸气引入补气流路中，由于制冷剂饱和蒸气在补气流路中继续吸热，到达压缩机的补气入口1’时已变为过热蒸气(即温度和压力高于主入口的温度和压力)，在压缩机吸气腔内与来自主入口中的低温低压制冷剂蒸气混合，使得压缩机吸气温度不至于过低，从而使系统的运行更加可靠。

实施例3：在图4中示出了汽车空调热泵系统第三实施例。

其构造与上述实施例基本类似，除了用喷射器18作为补气装置。此外，该节流流路还包括设置在所述主节流元件之前的贮液器17。该喷射器具有连接到该贮液器17的辅助出口17′的第一入口、连接到气液分离器12的第二入口和连接到该补气入口的出口。

由此，该空调热泵系统在制冷和第一制热模式与上述实施例基本一致，在这里不再赘述。

需要特别指明的是，上述结构区别带来工作上的主要区别是，在第二(低温)制热模式下，从车内换热器10出来的高压制冷剂液体进入贮液器17，由于压力降低和吸收周围环境的热量，制冷剂液体在贮液器17滞留时，部分液体气化为饱和的高压制冷剂蒸气并在贮液器17的顶部集存。这些高压制冷剂蒸气通过贮液器17的辅助出口17′进入喷射器18，并作为喷射器18的工作流体来引射气液分离器12或车外风冷换热器3的出口的低压制冷剂蒸气。从贮液器17中进入到喷射器18的制冷剂蒸气和被引射到喷射器18的低压制冷剂蒸气在喷射器18中混合成为中温中压的制冷剂蒸气，被压缩机1的辅助进气口1′吸入，这样，有效利用了贮液器17出来的高压制冷剂的压力能，使热泵系统的能量效率得以提高。而在贮液器17中，由于上述部分制冷剂液体的气化吸热使得积存在其下部的制冷剂液体得到降温，成为有较大过冷度的制冷剂液体，再通过主节流元件9的节流进一步降温进入到车外风冷换热器3中吸热，这样，由于有两级节流的作用，增大了制冷剂在车外风冷换热器3中的吸热能力，从而进一步提高了热泵系统的能量利用效率。

应当指出，尽管本发明示出了多个优选的实施例并且通过这些实施例描述了本发明的空调热泵系统的许多细节，但申请人不打算将本发明的范围局限于或以任何形式限制到这些细节。在阅读本发明的公开内容之后，本发明其它的优点和改变对于本领域技术人员来说很容易明白。因此，本领域技术人员能在不脱离申请人所要求的本发明的思想和范围的情况下做出组合、替换或改变。本发明的说明书将理解为基于包括这些组合、替换或改变的所有新颖的且非显而易见的基于本发明思想的方案，从而可在本申请的权利要求中呈现这些方案。由此，本发明的范围不是参考上述说明进行确定，而应是参照所附的权利要求书以及这些权利要求所具有的所有等同范围确定。

Claims (10)

1.一种电动汽车的空调热泵系统，其包括通过制冷剂连接管路顺序连接的压缩机(1)、四通阀(2)、其上安置有室外风机(4)的室外风冷换热器(4)、单向阀组、具有主节流元件(9)的节流流路和其上安置有室内风机(11)的室内风冷换热器(10)，用于在该空调热泵系统中相应地提供制冷模式和第一制热模式，其中该压缩机的出口连接四通阀(2)的第一阀口，该室外风冷换热器(3)和该室内风冷换热器(10)分别连接四通阀的第二和第三阀口，该压缩机(1)具有与四通阀(2)的用于回流的第四阀口连接而被供应低温低压气体的主入口，其特征是，该压缩机(1)还包括补气入口(1’)，该空调热泵系统还包括设有补气装置的补气流路，该补气流路的一端在该主节流元件之前连接到该节流流路，另一端连接到该补气入口，用于可选择地向该压缩机提供温度和压力高于该低温低压气体的气体以提供第二制热模式。

2.根据权利要求1所述的空调热泵系统，其特征是，该单向阀组包括第一单向阀(5)、第二单向阀(6)、第三单向阀(5’)、第四单向阀(6’)以及并联设置的两条单向阀流路，该第一和第三单向阀以流入侧相互面对的方式串联设置在一条单向阀流路中，而第二和第四单向阀以流出侧相互面对的方式串联设置在另一条单向阀流路中，所述节流流路的两端分别在第一和第三单向阀之间以及在第二和第四单向阀之间连接到这两条单向阀流路。

3.根据权利要求1或2所述的空调热泵系统，其特征是，该补气装置包括依次布置的补气阀(13)和补气节流元件(14)。

4.根据权利要求3所述的空调热泵系统，其特征是，还包括用于节流流路和补气流路经过并换热的中间冷却器(8)，该节流流路还包括设置在所述主节流元件之前的储液干燥器(7)，该补气流路在该储液干燥器(7)之后连接到所述节流流路。

5.根据权利要求1或2所述的空调热泵系统，其特征是，所述补气装置包括具有顶部出口和底部出口的闪蒸分离器(16)，该顶部出口连接到所述补气入口(1’)，而该底部出口连接到所述主节流元件(9)。

6.根据权利要求1或2所述的空调热泵系统，其特征是，该节流流路还包括设置在所述主节流元件(9)之前的贮液器(17)，该补气装置包括喷射器(18)，该喷射器(18)具有连接到该贮液器的第一入口、连接到该气液分离器(12)或车外风冷换热器(3)的出口的第二入口(18’)和连接到该补气入口的出口(1’)。

7.根据权利要求1或2所述的空调热泵系统，其特征是，所述压缩机(1)为电动变频压缩机。

8.根据权利要求7所述的空调热泵系统，其特征是，该电动变频压缩机是涡旋式、螺杆式、旋叶式、滚动活塞式或三角转子式压缩机。

9.根据权利要求1或2所述的空调热泵系统，其特征是，所述主节流元件(9)选自热力膨胀阀、电子膨胀阀和节流短管中任意一种。

10.根据权利要求1或2所述的空调热泵系统，其特征是，在该压缩机(1)的主入口和/或补气入口(1’)前设置有用于防止液击的气液分离器(12)。

Images