CN103090580B - 一种热泵型空调装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热泵型空调装置，无需采用传统热泵型空调中的室外设备，制冷或供热的蒸发器、冷凝器采用一体式结构且不受外界环境因素的影响，采用温差发电装置回收冷量并降低过程的不可逆损失，设备的安装、维修等工作量有效减轻，对环境不造成影响，能有效避免城市住宅及办公楼房的热岛效应，经济、社会、环保效益十分显著，是对传统热泵型空调技术的突破。

Description

一种热泵型空调装置

技术领域

本发明涉及一种热泵型空调装置，具体属制冷空调技术领域。

背景技术

传统热泵的理论基础源于19世纪早期卡诺的发现,他在1824年发表了关于卡诺循环的论文。1852年汤姆逊首先提出了采用空气作为工质的热泵设想；1854年开尔文提出：冷冻装置可以用于加热。19世纪70年代，应用卡诺原理的制冷设备的开发工作得到了迅速的发展，但热泵的开发工作却远落于其后。1973年世界能源危机的出现，使得欧洲各国和苏、日、美、澳等国家对热泵工作十分重视。目前，世界各国对热泵的兴趣越来越大，欧洲、日本、北美的制造厂商都为工业、商业、建筑和民用提供大量热泵。诸如国际能源机构和欧洲共同体，都制定了大型热泵发展计划，而不少新技术试验或现有热泵技术在新领域的推广应用工作正在进行或规划之中，热泵的用途在不断地拓展。热泵在节约能源方面正起着越来越重大的作用。

传统热泵的作用是从周围环境中吸取热量，并把它传递给被加热的对象，其工作原理与制冷机相同，都是按热机的逆循环工作的，所不同的只是工作温度范围。对于某些同时需要供热和制冷的某些工业部门，如肉类加工、食品、乳制品加工等，运用热泵装置进行综合供冷和供热，就显得更为经济合理。

但是对于冬季使用的家用热泵型空调，采用制冷机循环得到的大量的冷量仅用于在室外作为蒸发器吸收周围环境的废热，其本质上使一种很大的浪费；当冬季环境温度较低、阴雨连绵、空气湿度大、潮湿阴冷地区冬季供热时，市场上销售的普通空气源热泵空调，制热量衰减十分严重，甚至无法正常启动运行；因此在我国北方寒冷地区普通空气源热泵空调基本上只能在过渡季节使用，一旦进入寒冷的严冬季节，普通的空气源热泵空调几乎无法满足基本的供热需求。众所周知，在我国北方传统的集中供热采暖方式以燃煤、燃气为主，而这种供暖方式无论在节能、环保还是在安全方面都还无法达到社会发展的要求。因此必须要开发适用于在严寒的冬季正常运转的低温型热泵空调与之配套，必须要同时配备相应的辅助设备系统。

1821年,德国科学家塞贝克(Seebeck)第一个发现了温差电现象,即在由两种不同的导体组成的开路中,如果导体的两个结点存在温度差,开路中将产生电动势E0,这就是塞贝克效应。由塞贝克效应所产生的电动势称温差电动势。之所以称为温差电，是因为后来人们认识到指南针的偏转是由于温差使回路产生电流而引起的。

1947年泰克斯研制成功第一台温差发电器，但发电效率仅为1.5%。之后军事、航天领域电源的需要推动了温差发电器的迅速发展。

1949年原苏联的约飞提出了关于半导体温差电的理论，同时在实际应用方面做了许多工作，1953年研制出温差电家用冰箱样机，并与1956年出版了《半导体热电元件与热电制冷》一书，可以认为是温差电转换效应实用化电器产品的开端，此后的发展十分迅速。但与其它半导体器件的发展相比，却是缓慢的。影响温差电转换功率应用的最大制约因数是它们的转换效率太低，难以与传统的功率转换器相比，研究一度进入低潮。然而，1959年齐纳博士预言温差电材料能够实现类似于氟利昂压缩式制冷或涡轮发电机那样的性能，这无疑给温差电器件的产业化注入了强心剂、兴奋剂。60年代初期，一下子就出现了上百家专业工厂，也大大激发了科学家们为寻求更高优值材料而在基础理论和新材料探索方面的热情。人们对以碲化铋(Bi2Te3)为基础的膺二元、膺三元合金系进行了深入的研究。尽管如此，数十年来材料性能的提高却十分缓慢。相比而言，器件的制备工艺则日趋完善，产品形成标准化、系列化，生产形成规模化。

但是作为一类固体换能器件，它的优点又是无可比拟的，随着应用领域的不断拓展和水平的提高，日趋成熟的各类温差电器件的优点得到更多的重视，在众多的领域中得到应用。这些特点包括无运动部件、无噪声、容易微型化、易于控制、可靠性高、寿命长等，可靠性高是其主要优点，通常设计中无需采用其他形式的传热工质，因此就避免了诸如振动、压力、密封系统等许多设备制造中常碰到的问题。在许多不是以能量转换效率为主要考虑因数的应用场合，温差电具有不可取代的优点。在保护环境呼声日高的今天，温差电转换器件又因其不污染环境、可利用废热和可再生能源的潜力而进一步得到重视。上世纪末，蓬勃发展的超导转变温度在液氮温度以上的高温超导材料及其应用堪称为最重大的科技成果，为适应这一未来应用前景十分广阔的对低温条件的需求，温差电制冷也把获得这样的低温作为一项重要内容。这一努力包括进一步选择可能的材料。

令人遗憾的是齐纳的预言至今未能实现。而且到目前为止，还难以确定能否实现，也就是说，单纯从能量转换效率的角度来看，温差电还不能与传统的模式相比拟。

之所以未能取得重大突破，其根本原因是没有正确的制冷理论指导、未意识到温差电转换装置真正适宜的高效率的应用领域是低于环境温度的低温领域，即冷能的冷电转换领域，且未能找到冷能发电的高效模式。如能有效解决上述问题，温差电材料完全能够实现类似于氟利昂压缩式制冷或涡轮发电机那样的性能，实现齐纳博士的预言，本发明即是对上述问题的理论和实践的探索。

传统制冷理论的主要基础是热力学，即采用同温差的卡诺逆循环分析制冷循环过程，制冷循环的经济性指标是制冷系数，就是得到的收益和耗费的代价之比值，并且以大气环境温度T₀与温度为T_C低温热源（如冷库）之间的一切制冷循环，以逆向卡诺循环的制冷系数为最高：

${\mathrm{\ϵ}}_c={\left(\mathrm{COP}\right)}_{R,C}=\frac{q_2}{w_0}=\frac{T_c}{T_0-T_c}---\left(1\right)$

上式中的ε_c为制冷系数，q₂为循环的制冷量，w₀为循环所消耗的净功。

实际上，卡诺在“关于热动力的见解”的论文中，得出的结论为：“在两个不同温度的恒温热源之间工作的所有热机，以可逆热机的效率为最高。”即被后人称之为卡诺定理，按理想气体状态方程进行整理得出的卡诺循环的热效率为：

${\mathrm{\η}}_c=1-\frac{T_2}{T_1}---\left(2\right)$

公式（2）中的高温热源的温度T₁与低温热源的温度为T₂均高于大气环境温度T₀，并可以得出以下几点重要结论：

1）卡诺循环的热效率只决定于高温热源和低温热源的温度，也就是工质吸热和放热时的温度，提高T₁和T₂，可以提高热效率。

2）卡诺循环的热效率只能小于1，绝不能等于1，因为T₁＝∞或T₂=0都不可能实现。这就是说，在循环发动机中即使在理想情况下，也不可能将热能全部转化为机械能，热效率当然更不可能大于1。

3）当T₁＝T₂时，循环热效率等于0，它表明，在温度平衡的体系中，热能不可能转化为机械能，热能产生动力一定要有温度差作为热力学条件，从而验证了借助单一热源连续做功的机器是制造不出的，或第二类永动机是不存在的。

4）卡诺循环及其热效率公式在热力学的发展上具有重大意义。首先，它奠定了热力学第二定律的理论基础；其次，卡诺循环的研究为提高各种热动力机热效率指出了方向，近可能提高工质的吸热温度和尽可能降低工质的放热温度，使放热在接近可自然得到的最低温度即大气温度时进行。卡诺循环中所提出的利用绝热压缩以提高气体吸热温度的方法，至今在以气体为工质的热动力机中仍普遍采用。

5）卡诺循环的极限点是大气环境温度，对低于环境温度的制冷过程循环，卡诺循环并没有给出明确的答案。

由于制冷系数的不完善性，国内外众多的学者对其进行研究，并提出了完善建议。马一太等在《制冷与热泵产品的能效标准研究和循环热力学完善度的分析》中结合Curzon和Ahlborn把有温差传热这个不可逆过程引入热力循环的分析，以及由此创建的有限时间热力学的启发，结合CA循环效率，提出了CA正循环的热力学完善度，使制冷和热泵产品的能效研究有了一定程度的进展。

但是运用热力学的基本理论并不能对制冷循环做出简洁、明了、直观的解释。爱因斯坦曾对经典热力学做过评价：“一种理论，其前提越简单，所涉及的事物越多，其适应范围愈广泛，它给人们的印象就越深刻。”对制冷领域的理论解释，也应继承和发扬这个优点。

因此，真正找到制冷循环的正确的理论基础，在此理论基础上提出新的热泵型空调装置并能够应用于实际中，有效提高空调夏季制冷、冬季供热的转换效率，成为空调制冷领域研究的难点。

发明内容

本发明的目的就是为解决卡诺定理应用于热泵型空调理论分析的不完善性，提出对应于热力学理论的制冷理论即冷力学理论，以及应用该理论设计的新的热泵型空调装置。

对于低于大气环境温度的环境称之为冷源，相对于高于环境温度的热源；相应于热能、热量，提出对应的冷能、冷量概念；提出冷能转换中的能量转换和守恒定律、冷力学第二定律、冷量有效能分析的公式；对应于热量的有用能“□”、无用能“烬”，对热量、冷量取水火会意，对于冷量的有用能，取名为“冷量涟”，冷量向环境传递的无用能称为“冷量浕”，“浕”读音为“尽”。

制冷过程中冷能的传递遵循能量转化和守恒定律。

为描述制冷过程中冷量传递的方向、条件和限度，提出冷力学第二定律：冷力学第二定律的实质跟热力学第二定律的实质是一样的，同样遵循“能质衰贬原理”，即不同形式的冷能，在转换成功量的能力上是有“质”的差别的；即使是同一种形式的冷能，其存在状态不同时，它的转换能力也不同的。一切冷能传递的实际过程，总是朝着能质下降的方向进行，一切冷能总会自发向大气环境方向转换。冷能能质的提高过程不可能自动、单独地进行，一个能质的提高的过程必然伴随着另一个能质的下降的过程同时发生，这个能质下降的过程就是实现能质升高过程的必要的补偿条件，即以能质下降为代价、作为补偿来推动能质升高过程的实现。在实际过程中，作为代价的能质下降过程，必须足以补偿能质升高的过程，以满足总的能质必定下降的普遍规律。因此，在一定的能质下降的补偿条件下，能质升高的过程必然有一个最高的理论限度。只有在完全可逆的理想条件下，才能达到这个理论限度，这时，能质升高值正好等于能质下降的补偿值，使总的能质保持不变。可见，可逆过程是纯理想化的能质守恒过程；在不可逆过程中总的能质必然下降；在任何情况下都不可能实现使孤立系统总的能质升高的过程。这就是能质衰贬原理的物理内涵，是冷力学第二定律的实质，也是热力学第二定律的实质，它揭示了一切宏观过程必须遵循的、有关过程进行方向、条件及限度的客观规律。

描述冷力学第二定律的基本公式为：

${\mathrm{\η}}_c=1-\frac{T_{c2}}{T_{c1}}---\left(3\right)$

公式（3）中，Tc2＜Tc1＜To，To为环境温度，均为开氏温标。

相对环境温度To而言，冷源在Tc1、Tc2下的最大冷效率为：

${\mathrm{\η}}_c=1-\frac{T_{c1}}{T_0}---\left(4\right)$

${\mathrm{\η}}_c=1-\frac{T_{c2}}{T_0}---\left(5\right)$

假设为q₂循环的制冷量，w₀为循环所消耗的净功，则在冷源温度为Tc1时：

$w_0=(1-\frac{T_{c1}}{T_0})q_2---\left(6\right)$

同样，在冷源温度为Tc2时：

$w_0=(1-\frac{T_{c2}}{T_0})q_2---\left(7\right)$

从公式（4）至（7）不难看出，冷力学的效率为0到1之间，由于实际过程中不可逆性的不可避免，制冷循环效率是小于1的；环境温度To确定时，冷源温度越低，输入同样的功，获得的制冷量越多，从而为构造新的制冷循环即电冷高效转换指明了方向。

需要说明的是：

（1）冷量是自发从低温冷源向环境温度传递的；

（2）不可能把冷量从低温冷源传到更低的冷源而不引起其他变化；

（3）冷量从低温冷源传递向环境时，与外界交换的功量为w0，其中包含对环境所做的无用功p₀(V₀-V_c)，p₀为大气压力，Vo为环境温度下的体积，Vc为冷源温度下的体积，所能做的最大可逆有用功为：

${\left(W_u\right)}_{\max }=W_0-p_0(V_0-V_c)=(1-\frac{\mathrm{Tc}}{\mathrm{To}})Q_0-p_0(V_0-V_c)$

（4）冷量从低温冷源传递向环境时，向环境传递的冷量浕为：

向环境传递的无用功为：p₀(V₀-V_c)

（5）冷能向环境温度传递时，向外做功的最佳型式为采用塞贝克（Seebeck）效应的温差发电机，即冷力发电机；电能向冷能转换时，最佳的转换型式是采用帕尔帖效应的温差制冷机；

（6）冷力学中能量必须、也必然要符合能量转化和守恒定律；

（7）通过借鉴有限时间热力学的构思，可以发展有限时间冷力学基本理论；

（8）不能脱离环境来评价冷量的品位。

（9）借鉴Curzon和Ahlborn把有温差传热这个不可逆过程引入热力循环的分析思路，以及由此创建的有限时间热力学的启发，结合CA循环效率，按照对比态原理，提出有限时间冷力学的改进公式：

${\mathrm{\η}}_c=1-\sqrt{\frac{T_{c1}}{T_0}}$

（10）假设热泵型空调的供热平均温度为T₁，供热量为Q₀，环境温度为T₀，冷端平均吸热温度为Tc，吸热量为Q₂，则热泵的理论效率为：

$\mathrm{\η}=\frac{(1-\frac{T_0}{T_1})Q_0+(1-\frac{T_c}{T_0})Q_2}{W}$

考虑有限时间冷力学观点，改进后的热泵效率公式：

$\mathrm{\η}=\frac{(1-\sqrt{\frac{T_0}{T_1}})Q_0+(1-\sqrt{\frac{T_c}{T_0}})Q_2}{W}$

基于上述基本原理，本发明提出不同于传统的热泵型空调装置，结合温差发电器回收蒸汽压缩供热时产生的冷量用于发电，从而提高热泵型空调的循环效率，通过热泵使热力学和冷力学结合起来；制冷循环中，结合温差发电器有效降低制冷循环过程的不可逆性。从而使热力学和冷力学一起成为能量学的有机组成部分，使提出的冷力学理论成为真正的能够指导制冷、热泵技术开发实践的初步完善的理论体系。

本发明的目的是通过以下措施实现的：

一种热泵型空调装置，该装置包括温差发电装置及供热循环回路、制冷循环回路，其特征在于：

所述的热泵型空调的供热循环，是指从制冷剂贮罐1出来的液态制冷剂2，经低温液体泵3增压后送入温差发电装置4，通过制冷剂通道4-2将冷量的一部分通过温差电偶组4-1转换成电能，另外一部分传递给回冷通道4-3通过的温度较高的返流制冷剂，释放出冷量、温度升高的气态制冷剂经压缩机5增压升温后送至用户系统6进行供热；从用户系统6出来的制冷剂气体进入温差发电装置4的回冷通道4-3，回收冷量、降低温度，并经温差发电装置4形成液态制冷剂，经节流阀10返回制冷剂贮罐1；温差电偶组产生的直流电经直流电转换及输出装置4-4输出，通过供热循环回路对压缩机5增压产生的制冷量进行了高效回收利用，从而完成热泵型空调的供热循环回路。

所述的热泵型空调的制冷循环，是指从制冷剂贮罐1出来的液态制冷剂2，经低温液体泵3增压后送入温差发电装置4，通过制冷剂通道4-2将冷量的一部分通过温差电偶组4-1转换成电能，另外一部分传递给回冷通道4-3通过的温度较高的返流制冷剂，释放出冷量、温度升高的气态制冷剂送至用户系统6进行供冷；从用户系统6出来的制冷剂气体经压缩机5压缩后进入温差发电装置4的回冷通道4-3，回收冷量、降低温度，并经温差发电装置4形成液态制冷剂，经节流阀10返回制冷剂贮罐1；温差电偶组产生的直流电经直流电转换及输出装置4-4输出，通过制冷循环回路对返流制冷剂的冷量进行了高效回收利用，减少了制冷过程的不可逆性，从而完成热泵型空调的制冷循环回路。

所述的液态制冷剂2以标准状态下沸点小于-10℃的低沸点制冷工质为主的混合制冷工质。

设有换向阀7、换向阀8：从制冷剂贮罐1出来的液态制冷剂2，经低温液体泵3增压后送入温差发电装置4，通过制冷剂通道4-2将冷量的一部分通过温差电偶组4-1转换成电能，另外一部分传递给回冷通道4-3通过的温度较高的返流制冷剂，释放出冷量、温度升高的气态制冷剂经换向阀7的bc通道→压缩机5→换向阀8的fe通道→用户系统6→换向阀7的da通道→换向阀8的hg通道，进入温差发电装置4的回冷通道4-3，回收冷量、降低温度，并经温差发电装置4形成液态制冷剂，经节流阀10返回制冷剂贮罐1；温差电偶组产生的直流电经直流电转换及输出装置4-4输出，通过供热循环回路对压缩机5增压产生的制冷量进行了高效回收利用，从而完成热泵型空调的供热循环回路；

从制冷剂贮罐1出来的液态制冷剂2，经低温液体泵3增压后送入温差发电装置4，通过制冷剂通道4-2将冷量的一部分通过温差电偶组4-1转换成电能，另外一部分传递给回冷通道4-3通过的温度较高的返流制冷剂，释放出冷量、温度升高的气态制冷剂经换向阀7的ba通道→换向阀8的he通道→用户系统6→换向阀7的dc通道→压缩机5→换向阀8的fg通道，进入温差发电装置4的回冷通道4-3，回收冷量、降低温度，并经温差发电装置4形成液态制冷剂，经节流阀10返回制冷剂贮罐1；温差电偶组产生的直流电经直流电转换及输出装置4-4输出，通过制冷循环回路对压缩机5及制冷剂的冷量进行了高效回收利用，从而完成热泵型空调的制冷循环回路。

设有冷凝蒸发器9：从制冷剂贮罐1出来的液态制冷剂2，经低温液体泵3增压后经冷凝蒸发器9送入温差发电装置4，通过制冷剂通道4-2将冷量的一部分通过温差电偶组4-1转换成电能，另外一部分传递给回冷通道4-3通过的温度较高的返流制冷剂，释放出冷量、温度升高的气态制冷剂经换向阀7的bc通道→压缩机5→换向阀8的fe通道→用户系统6→换向阀7的da通道→换向阀8的hg通道，进入温差发电装置4的回冷通道4-3，回收冷量、降低温度，并经温差发电装置4、冷凝蒸发器9形成液态制冷剂，经节流阀10返回制冷剂贮罐1；温差电偶组产生的直流电经直流电转换及输出装置4-4输出，通过供热循环回路对压缩机5增压产生的制冷量进行了高效回收利用，从而完成热泵型空调的供热循环回路；从制冷剂贮罐1出来的液态制冷剂2，经低温液体泵3增压后经冷凝蒸发器9送入温差发电装置4，通过制冷剂通道4-2将冷量的一部分通过温差电偶组4-1转换成电能，另外一部分传递给回冷通道4-3通过的温度较高的返流制冷剂，释放出冷量、温度升高的气态制冷剂经换向阀7的ba通道→换向阀8的he通道→用户系统6→换向阀7的dc通道→压缩机5→换向阀8的fg通道，进入温差发电装置4的回冷通道4-3，回收冷量、降低温度，并经温差发电装置4、冷凝蒸发器9形成液态制冷剂，经节流阀10返回制冷剂贮罐1；温差电偶组产生的直流电经直流电转换及输出装置4-4输出，通过制冷循环回路对压缩机5及制冷剂的冷量进行了高效回收利用，从而完成热泵型空调的制冷循环回路。

所述的温差发电装置4包括温差电偶组4-1、制冷剂通道4-2、回冷通道4-3及直流电转换及输出装置4-4。

所述的温差电偶组4-1采用一组或多组串联、并联或串并联方式进行连接；每组温差电偶有多级温差电偶，采用串联、并联或串并联的连接型式。

串联型多级温差电偶的特点是各级的工作电流相同，级与级之间的连接处需要一层电绝缘的导冷层（一般采用阳极氧化铝或导冷性能较好且电绝缘的两片相互平行的陶瓷片等隔开），要求导冷层的导冷系数大，这样可使温差损失减少；从电流通路上看，所有温差电偶均为串联，从冷量通路上看，所有温差电偶则为并联。

并联型的多级温差电偶的特点除工作电流较大外，由于级间既要导冷又要导电，所以不需要电绝缘层，也无级间温差。当要求的温差和负荷与串联型温差电偶组相同时，并联型比串联型耗电要小些，但线路设计较复杂。

每个温差电偶由一只P型温差电元件和一只N型温差电元件联结而成，两种流体存在温差时：温度较低侧的流体中的冷量传递给温度较高的流体，温差电偶中电流由P→N，温度较低侧的流体温度上升，另外一侧的温度较高的流体获得冷量温度下降。

P型可选择膺三元材料如碲化铋-碲化锑固溶体合金或P型的超导材料；N型可碲化铋-硒化铋固溶体合金或N型超导材料。如P型在膺二元系碲化铋-碲化锑的基础上加入第三元硒化铋，N型材料采用二元固溶体，可采用重量比为93%的碲化铋+7%的硒化铋。

根据不同的温度区间，选择跟温度变化区间匹配的高效率的温差电偶。

附图1给出一种单级温差发电器的剖面结构示意图，图中：1-温度较高侧，2-输出，3-温度较低侧；附图2给出两种温差发电器结构示意图，图2（a）为温差电偶级间并联，图2（b）为温差电偶级间串联；附图3是一种温差发电器的结构示意图，图3中：1-热源，2-温差电模块，3-绝缘层，4-散热器，5-直流直流交换机；附图4是一种热泵型空调装置流程示意图，图4中：1-蒸发器，2-过滤器，3-毛细管，4-过滤器，5-冷凝器，6-换向阀，7-气液分离器，8-压缩机。

温差电偶采用串联或串并联方式需根据负载具体情况而定，实际应用中通过串联或串并联结合使负载电阻与温差发电器的内阻匹配时，才能获得最大的输出功率。对采用n对温差电偶相互串联构成的温差发电器，其输出端的开路电压V_∝为：

V_∝=n（α_N-α_P）（T₁-T₂）

在上述情况下，实际施加到负载两端的电压为上式中所给出的开路电压的一半。由此可见，发电器的实际输出电压与温差电偶的数目有关。对于输出功率较大的应用，需要使用较多的温差电偶才能满足要求，因而不难获得较大的输出电压。然而，对于输出功率要求不太大的情形，较少的温差电偶串联起来就可以满足功率要求，其结果相应于满足功率要求的输出电压可能会非常小。另一方面，绝大多数电子设备通常要求其输入电压在伏特数量级，这将使小功率温差发电器的输出电压难以直接满足应用要求。因此，必须将温差发电器产生的“大”电流、“小”电压输出转换为“小”电流、“大”电压输出，这就需要采用直流-直流转换器。通常电压的转换效率与输出功率无关，而是发电器输出电压的函数，实际应用中保证能够获得60%以上的转换效率即可，此时对应的下限电压仅0.2V左右。

所述的制冷剂通道4-2、回冷通道4-3为中空的圆形、矩形或曲面形腔体；所述的制冷剂通道4-2、回冷通道4-3采用必要的强化传热措施，如增加肋片、采用板翅式换热器、微通道换热器等。

所述的压缩机5可以采用变频调速装置。

本发明中的热泵型空调装置中的温差电偶组中未提及的其他结构不再详述，温差发电模块不再给出详细的结构及其配套的设施示意图，均采用现有成熟的温差发电器技术进行配套设计。

所述的制冷剂通道4-2、回冷通道4-3采用板翅式换冷元件、微通道换冷元件或其他型式的强化传冷的元件，其结构与传统制冷循环中的传热元件的结构相同或相似，并可以借鉴汽车空调器中平行流蒸发器的强化换热技术。

所述的制冷剂贮罐1采用必要的绝热保冷措施，如采用绝热真空容器、珠光砂等隔热保冷材料。

本发明中未说明的设备及其备用系统、管道、仪表、阀门、保冷、具有调节功能旁路设施等采用公知的成熟技术进行配套。

设有与本发明的热泵型空调装置配套的安全、调控设施，使装置能经济、安全、高热效率运行，达到节能降耗、环保的目的。

本发明相比现有技术具有如下优点：

1、制冷或供热的蒸发器、冷凝器采用一体式结构。与传统的热泵型空调相比，供热、制冷循环中的冷凝器、蒸发器不受外界环境因素的影响，压缩机压缩制冷剂供热时，制冷剂气体因压缩产生的制冷量得到有效回收，是对传统热泵型空调技术的突破。

2、无需采用传统热泵型空调中的室外设备，对环境不造成影响，能有效避免城市住宅及办公楼房的热岛效应，安装便捷、容易、安全，流程设置更加简洁，更符合节能环保原则。

3、设备的维修工作量较传统的热泵型空调有极大程度的降低，能方便对供热、制冷的一体型的蒸发器（冷凝器）进行清灰除尘，有效提高换热效果，温差电偶组的负荷轻、效率高，整个机组的使用寿命大为延长。

4、传冷、换热强化：较传统的热泵型空调，可以方便地采用强化传冷元件，温差发电装置及热泵机组的效率更加高效。

附图说明

图1是一种单级温差发电器的剖面结构示意图。

图1中：1-温度较高侧，2-输出，3-温度较低侧。

图2是两种温差发电器结构示意图，图2（a）为温差电偶级间并联，图2（b）为温差电偶级间串联。

图3是一种温差发电器的结构示意图。

图3中：1-热源，2-温差电模块，3-绝缘层，4-散热器，5-直流直流交换机。

图4是一种热泵型空调器流程示意图。

图4中：1-蒸发器，2-过滤器，3-毛细管，4-过滤器，5-冷凝器，6-换向阀，7-气液分离器，8-压缩机。

图5是本发明的一种热泵型空调装置供热流程示意图。

图5中：1-制冷剂贮罐，2-液态制冷剂，3-低温液体泵，3-1-温差发电装置进口管线,4-温差发电装置，4-1-温差电偶组，4-2-制冷剂通道，4-3-回冷通道，4-4-直流电转换输出装置，5-压缩机，6-用户系统，7-换向阀，8-换向阀，9-冷凝蒸发器，10-节流阀。

图6是本发明的一种热泵型空调装置制冷流程示意图。

图6中：1-制冷剂贮罐，2-液态制冷剂，3-低温液体泵，3-1-温差发电装置进口管线,4-温差发电装置，4-1-温差电偶组，4-2-制冷剂通道，4-3-回冷通道，4-4-直流电转换输出装置，5-压缩机，6-用户系统，7-换向阀，8-换向阀，9-冷凝蒸发器，10-节流阀。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1。

如图5、图6所示，一种热泵型空调装置，该装置包括温差发电装置及供热循环回路、制冷循环回路，具体实施例如下：

从制冷剂贮罐1出来的液态制冷剂2，经低温液体泵3增压后送入温差发电装置4，通过制冷剂通道4-2将冷量的一部分通过温差电偶组4-1转换成电能，另外一部分传递给回冷通道4-3通过的温度较高的返流制冷剂，释放出冷量、温度升高的气态制冷剂经换向阀7的bc通道→压缩机5→换向阀8的fe通道→用户系统6→换向阀7的da通道→换向阀8的hg通道，进入温差发电装置4的回冷通道4-3，回收冷量、降低温度，并经温差发电装置4形成液态制冷剂，经节流阀10返回制冷剂贮罐1；温差电偶组产生的直流电经直流电转换及输出装置4-4输出，通过供热循环回路对压缩机5增压产生的制冷量进行了高效回收利用，从而完成热泵型空调的供热循环回路；

从制冷剂贮罐1出来的液态制冷剂2，经低温液体泵3增压后送入温差发电装置4，通过制冷剂通道4-2将冷量的一部分通过温差电偶组4-1转换成电能，另外一部分传递给回冷通道4-3通过的温度较高的返流制冷剂，释放出冷量、温度升高的气态制冷剂经换向阀7的ba通道→换向阀8的he通道→用户系统6→换向阀7的dc通道→压缩机5→换向阀8的fg通道，进入温差发电装置4的回冷通道4-3，回收冷量、降低温度，并经温差发电装置4形成液态制冷剂，经节流阀10返回制冷剂贮罐1；温差电偶组产生的直流电经直流电转换及输出装置4-4输出，通过制冷循环回路对压缩机5及制冷剂的冷量进行了高效回收利用，从而完成热泵型空调的制冷循环回路。

所述的制冷剂通道4-2、回冷通道4-3为中空的圆形、矩形或曲面形腔体；所述的制冷剂通道4-2、回冷通道4-3采用必要的强化传热措施，如增加肋片、采用板翅式换热器、微通道换热器等。

本发明中的热泵型空调装置中的温差电偶组中未提及的其他结构不再详述，温差发电模块不再给出详细的结构及其配套的设施示意图，均采用现有成熟的温差发电器技术进行配套设计。

所述的制冷剂通道4-2、回冷通道4-3采用板翅式换冷元件、微通道换冷元件或其他型式的强化传冷的元件，其结构与传统制冷循环中的传热元件的结构相同或相似，并可以借鉴汽车空调器中平行流蒸发器的强化换热技术。

所述的制冷剂贮罐1采用必要的绝热保冷措施，如采用绝热真空容器、珠光砂等隔热保冷材料。

本发明中未说明的设备及其备用系统、管道、仪表、阀门、保冷、具有调节功能旁路设施等采用公知的成熟技术进行配套。

设有与本发明的热泵型空调装置配套的安全、调控设施，使装置能经济、安全、高热效率运行，达到节能降耗、环保的目的。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的为准。

Claims (10)

1.一种热泵型空调装置，该装置包括温差发电装置及供热循环回路、制冷循环回路，其特征在于：

所述的热泵型空调的供热循环，是指从制冷剂贮罐（1）出来的液态制冷剂（2），经低温液体泵（3）增压后送入温差发电装置（4），通过制冷剂通道（4-2）将冷量的一部分通过温差电偶组（4-1）转换成电能，另外一部分传递给回冷通道（4-3）通过的温度较高的返流制冷剂，再经压缩机（5）增压升温后送至用户系统（6）进行供热，从用户系统（6）出来的制冷剂气体进入温差发电装置（4）的回冷通道（4-3），回收冷量、降低温度，并经温差发电装置（4）形成液态制冷剂，经节流阀（10）返回制冷剂贮罐（1），温差电偶组（4-1）产生的直流电经直流电转换及输出装置（4-4）输出，从而形成热泵型空调的供热循环回路；

所述的热泵型空调的制冷循环，是指从制冷剂贮罐（1）出来的液态制冷剂（2），经低温液体泵（3）增压后送入温差发电装置（4），通过制冷剂通道（4-2）将冷量的一部分通过温差电偶组（4-1）转换成电能，另外一部分传递给回冷通道（4-3）通过的返流制冷剂，释放出冷量、温度升高的气态制冷剂送至用户系统（6）进行供冷；从用户系统（6）出来的制冷剂气体经压缩机（5）、温差发电装置（4）的回冷通道（4-3）形成液态制冷剂，经节流阀（10）返回制冷剂贮罐（1），温差电偶组产生的直流电经直流电转换及输出装置（4-4）输出，从而形成热泵型空调的制冷循环回路。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

设有第一换向阀（7）、第二换向阀（8）：

从制冷剂贮罐（1）出来的液态制冷剂（2），经低温液体泵（3）增压后送入温差发电装置（4），通过制冷剂通道（4-2）将冷量的一部分通过温差电偶组（4-1）转换成电能，另外一部分传递给回冷通道（4-3）通过的返流制冷剂，再经第一换向阀（7）的bc通道→压缩机（5）→第二换向阀（8）的fe通道→用户系统（6）→第一换向阀（7）的da通道→第二换向阀（8）的hg通道，进入温差发电装置（4）的回冷通道（4-3），回收冷量、降低温度，并经温差发电装置（4）形成液态制冷剂，经节流阀（10）返回制冷剂贮罐（1），温差电偶组产生的直流电经直流电转换及输出装置（4-4）输出，从而形成热泵型空调的供热循环回路；

从制冷剂贮罐（1）出来的液态制冷剂（2），经低温液体泵（3）增压后送入温差发电装置（4），通过制冷剂通道（4-2）将冷量的一部分通过温差电偶组（4-1）转换成电能，另外一部分传递给回冷通道（4-3）通过的返流制冷剂，再经第一换向阀（7）的ba通道→第二换向阀（8）的he通道→用户系统（6）→第一换向阀（7）的dc通道→压缩机（5）→第二换向阀（8）的fg通道，进入温差发电装置（4）的回冷通道（4-3），回收冷量、降低唯独，并经温差发电装置（4）形成液态制冷剂，经节流阀（10）返回制冷剂贮罐（1），温差电偶组产生的直流电经直流电转换及输出装置（4-4）输出，从而形成热泵型空调的制冷循环回路。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：

设有冷凝蒸发器（9）：

所述的热泵型空调的供热循环从制冷剂贮罐（1）出来的液态制冷剂（2），经低温液体泵（3）、冷凝蒸发器（9）、温差发电装置（4），通过制冷剂通道（4-2）将冷量的一部分通过温差电偶组（4-1）转换成电能，另外一部分传递给回冷通道（4-3）通过的返流制冷剂，再经压缩机（5）增压升温后送至用户系统（6）进行供热，从用户系统（6）出来的制冷剂气体进入温差发电装置（4）的回冷通道（4-3），回收冷量、降低温度，并经温差发电装置（4）、冷凝蒸发器（9）形成液态制冷剂，经节流阀（10）返回制冷剂贮罐（1），温差电偶组产生的电流电经直流电转换及输出装置（4-4）输出，从而形成热泵型空调的供热循环回路；

所述的热泵型空调的制冷循环，是指从制冷剂贮罐（1）出来的液态制冷剂（2），经低温液体泵（3）、冷凝蒸发器（9）、温差发电装置（4），通过制冷剂通道（4-2）将冷量的一部分通过温差电偶组（4-1）转换成电能，另外一部分传递给回冷通道（4-3）通过的返流制冷剂，释放出冷量、温度升高的气态制冷剂送至用户系统（6）进行供冷；从用户系统（6）出来的制冷剂气体经压缩机（5）、温差发电装置（4）的回冷通道（4-3）、冷凝蒸发器（9）形成液态制冷剂，经节流阀（10）返回制冷剂贮罐（1），温差电偶组产生的直流电经直流电转换及输出装置（4-4）输出，从而形成热泵型空调的制冷循环回路。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：

设有冷凝蒸发器（9）：

从制冷剂贮罐（1）出来的液态制冷剂（2），经低温液体泵（3）增压后经冷凝蒸发器（9）送入温差发电装置（4），通过制冷剂通道（4-2）将冷量的一部分通过温差电偶组（4-1）转换成电能，另外一部分传递给回冷通道（4-3）通过的返流制冷剂，再经第一换向阀（7）的bc通道→压缩机（5）→第二换向阀（8）的fe通道→用户系统（6）→第一换向阀（7）的da通道→第二换向阀（8）的hg通道，进入温差发电装置（4）的回冷通道（4-3），回收冷量、降低温度，并经温差发电装置（4）、冷凝蒸发器（9）形成液态制冷剂，经节流阀（10）返回制冷剂贮罐（1），温差电偶组产生的直流电经直流电转换及输出装置（4-4）输出，从而形成热泵型空调的供热循环回路；从制冷剂贮罐（1）出来的液态制冷剂（2），经低温液体泵（3）增压后经冷凝蒸发器（9）送入温差发电装置（4），通过制冷剂通道（4-2）将冷量的一部分通过温差电偶组（4-1）转换成电能，另外一部分传递给回冷通道（4-3）通过的返流制冷剂，再经第一换向阀（7）的ba通道→第二换向阀（8）的he通道→用户系统（6）→第一换向阀（7）的dc通道→压缩机（5）→第二换向阀（8）的fg通道，进入温差发电装置（4）的回冷通道（4-3），回收冷量、减低温度，并经温差发电装置（4）、冷凝蒸发器（9）形成液态制冷剂，经节流阀（10）返回制冷剂贮罐（1），温差电偶组产生的直流电经直流电转换及输出装置（4-4）输出，从而完成热泵型空调的制冷循环回路。

5.根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于：

所述的温差发电装置（4）包括温差电偶组（4-1）、制冷剂通道（4-2）、回冷通道（4-3）及直流电转换及输出装置（4-4）。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：

所述的温差电偶组（4-1）采用一组或多组串联、并联或串并联方式进行连接；每组温差电偶有多级温差电偶，采用串联、并联或串并联的连接型式。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：

所述的温差发电装置（4）可设置一个或多个，采用串联、并联方式或混联方式进行连接。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：

所述的压缩机（5）采用变频调速装置。

9.根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于：

所述的温差发电装置（4）可设置一个或多个，采用串联、并联方式或混联方式进行连接。

10.根据权利要求1至4之一所述的装置，其特征在于：

所述的压缩机（5）采用变频调速装置。