CN103673416A - 汽车空调系统中制冷剂流量的控制方法及汽车空调系统 - Google Patents

Abstract

一种汽车空调系统中制冷剂流量的控制方法及汽车空调系统，所述汽车空调系统包括压缩机、冷凝器、内部热交换器及蒸发器，所述汽车空调系统还包括安装在内部热交换器的高压侧的出口与蒸发器的进口之间的电子膨胀阀。所述控制器根据内部热交换器的低压侧出口的压力及温度向所述电子膨胀阀发出控制信号，所述电子膨胀阀接收该控制信号来调节所述电子膨胀阀的开度，进而控制内部热交换器的低压侧出口的过热度。在另一种实施方式中，所述控制器根据内部热交换器的高压侧出口的压力及温度向所述电子膨胀阀发出控制信号，进而控制内部热交换器的高压侧出口的过冷度。根据该过热度或者过冷度来调节进入蒸发器内制冷剂的流量。

Description

汽车空调系统中制冷剂流量的控制方法及汽车空调系统

技术领域

本发明涉及一种汽车空调系统中制冷剂流量的控制方法及汽车空调系统。

背景技术

制冷剂从当前的R134a向R1234yf替代已经成为汽车空调领域一个重大技术改进措施。但是，由于R1234yf冷媒的潜热比较低，直接替换会造成系统制冷量降低。因此，通常的做法是采用一个内部热交换器，即Internal Heat Exchanger（IHX），以提高系统的制冷量。内部热交换器是一个连接在压缩机、蒸发器和冷凝器之间的换热器，其作用是利用蒸发器出口的制冷剂来冷却冷凝器出口的制冷剂，以提高冷凝器出口的过冷度，增加制冷量。而为了提高蒸发器的利用效率，蒸发器出口的制冷剂最佳状态为饱和蒸汽，这样可以利用蒸发器出口的过热来冷却冷凝器出口的制冷剂，实现系统的设计。这种内部热交换器系统对节流机构的过热度控制提出更高的要求。

电子膨胀阀作为一种新型的节流元件已广泛应用在家用空调领域。电子膨胀阀可以根据系统的要求灵活改变空调系统的制冷剂流量，实现对过热度的有效控制，从而实现系统的效能的提高。电子膨胀阀是一种由步进电机驱动阀芯运动、通过针形阀芯开启度，调整阀口的大小，从而调整制冷剂流量的机构，可以精确控制制冷剂的流量，达到精确的过热度控制，并且可以灵活地设置所需要的控制信号输入。

图1揭示了一种现有的带内部热交换器的汽车空调系统，其中所述内部热交换器(IHX)连接在压缩机(Comp)、蒸发器(Evap)和冷凝器(Cond)之间。该汽车空调系统中制冷剂的流量控制是通过热力膨胀阀(TXV)来感知蒸发器出口温度，进而调节阀门的开度来实现的。

由于从系统的角度，对内部热交换器系统来说，希望蒸发器出口的过热度恰好为饱和状态，如图2中的压焓图所示。热力膨胀阀的目标是控制蒸发器出口尽可能低的过热度，且不能为两相流体，一旦出现两相流体，热力膨胀阀将容易失控。而对于热力膨胀阀来讲，低过热度控制，特别是接近于0℃控制，是非常困难的。热力膨胀阀流量过多或者过少地提供给蒸发器均对系统不利，会造成系统振荡或者性能降低。特别是在低负荷工况下，系统出现振荡的概率非常高。

因此，有必要对现有技术中热力膨胀阀无法准确控制系统流量和过热度的问题进行改进。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽车空调系统中制冷剂流量的控制方法及汽车空调系统，其能够准确控制流入蒸发器中制冷剂的流量。

为解决实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种汽车空调系统中制冷剂流量的控制方法，所述汽车空调系统包括相互连接的压缩机、冷凝器、内部热交换器及蒸发器，其中所述压缩机、冷凝器及蒸发器均包括进口及出口，所述内部热交换器包括高压侧及低压侧，所述高压侧及低压侧亦均包括进口及出口，所述压缩机的出口与冷凝器的进口相连，所述冷凝器的出口与内部热交换器的高压侧的进口相连，所述内部热交换器的高压侧的出口与蒸发器的进口相连，所述蒸发器的出口与内部热交换器的低压侧的进口相连，所述内部热交换器的低压侧的出口与压缩机的进口相连，所述汽车空调系统还包括安装在内部热交换器的高压侧的出口与蒸发器的进口之间的电子膨胀阀及用以向所述电子膨胀阀发出控制信号的控制器，所述控制器通过如下方式一或者方式二向所述电子膨胀阀发出控制信号，所述电子膨胀阀接收该控制信号来调节其开度，进而调节进入蒸发器内制冷剂的流量：

方式一：所述控制器根据内部热交换器的低压侧出口的压力及温度来控制内部热交换器的低压侧出口的过热度，并根据该过热度向所述电子膨胀阀发出控制信号；

方式二：所述控制器根据内部热交换器的高压侧出口的压力及温度来控制内部热交换器的高压侧出口的过冷度，并根据该过冷度来向所述电子膨胀阀发出控制信号。

作为本发明进一步改进的技术方案：未在蒸发器内完全蒸发的制冷剂在内部热交换器的低压侧继续蒸发吸热，并由此进一步降低内部热交换器的高压侧出口处制冷剂的温度。

作为本发明进一步改进的技术方案：所述汽车空调系统还包括安装在内部热交换器的低压侧的出口与压缩机的进口之间的气液分离器，所述气液分离器将内部热交换器的低压侧出口的气液两相制冷剂进行分离，以确保进入压缩机的制冷剂呈气态。

作为本发明进一步改进的技术方案：所述汽车空调系统还包括安装在蒸发器的出口与内部热交换器低压侧的进口之间的气液分离器，所述气液分离器将气液两相制冷剂进行分离，以确保进入内部热交换器的低压侧进口处的制冷剂呈气态。

作为本发明进一步改进的技术方案：方式一中调节进入蒸发器内制冷剂的流量包括如下步骤：

S1) 判断过热度设定值减去过热度实际值与设定区间的大小关系；

S2) 若过热度设定值减去过热度实际值大于所述设定区间的最大阀值，所述控制器向电子膨胀阀发出控制信号，减小电子膨胀阀的开度；

S3) 若过热度设定值减去过热度实际值小于所述设定区间的最小阀值，所述控制器向电子膨胀阀发出控制信号，增大电子膨胀阀的开度；

S4) 若过热度设定值减去过热度实际值落在所述设定区间内，所述电子膨胀阀维持当前的开度。

作为本发明进一步改进的技术方案：方式二中调节进入蒸发器内制冷剂的流量包括如下步骤：

S1) 判断过冷度设定值减去过冷度实际值与设定区间的大小关系；

S2) 若过冷度设定值减去过冷度实际值大于所述设定区间的最大阀值，所述控制器向电子膨胀阀发出控制信号，减小电子膨胀阀的开度；

S3) 若过冷度设定值减去过冷度实际值小于所述设定区间的最小阀值，所述控制器向电子膨胀阀发出控制信号，增大电子膨胀阀的开度；

S4) 若过冷度设定值减去过冷度实际值落在所述设定区间内，所述电子膨胀阀维持当前的开度。

为解决实现上述目的，本发明还可以采用如下技术方案：一种汽车空调系统，其包括相互连接的压缩机、冷凝器、内部热交换器及蒸发器，其中所述压缩机、冷凝器及蒸发器均包括进口及出口，所述内部热交换器包括高压侧及低压侧，所述高压侧及低压侧亦均包括进口及出口，所述压缩机的出口与冷凝器的进口相连，所述冷凝器的出口与内部热交换器的高压侧的进口相连，所述内部热交换器的高压侧的出口与蒸发器的进口相连，所述蒸发器的出口与内部热交换器的低压侧的进口相连，所述内部热交换器的低压侧的出口与压缩机的进口相连，所述汽车空调系统还包括安装在内部热交换器的高压侧的出口与蒸发器的进口之间的电子膨胀阀及用以向所述电子膨胀阀发出控制信号的控制器，信号通过如下方式一或者方式二被传递到所述控制器，所述电子膨胀阀接收所述控制器的控制信号来调节其开度，进而调节进入蒸发器内制冷剂的流量：

方式一：将反映内部热交换器的低压侧出口的过热度的低压侧出口的压力及温度信号传递到所述控制器；

方式二：将反映内部热交换器的高压侧出口的过冷度的高压侧出口的压力及温度信号传递到所述控制器。

作为本发明进一步改进的技术方案：上述方式一及方式二中的压力信号均通过压力传感器测量出。

作为本发明进一步改进的技术方案：上述方式一及方式二中的温度信号均通过温度传感器测量出。

作为本发明进一步改进的技术方案：所述汽车空调系统按照上述的控制方法对进入蒸发器内制冷剂的流量进行调节。

与现有技术相比，本发明通过测量内部热交换器的低压侧出口的压力及温度来控制内部热交换器的低压侧出口的过热度，或者测量内部热交换器的高压侧出口的压力及温度来控制内部热交换器的高压侧出口的过冷度，并根据该过热度或者过冷度来调节进入蒸发器内制冷剂的流量，从而能够准确控制制冷剂的流量，使本发明汽车空调系统的能效比(COP)最优。

附图说明

图1是现有技术中的汽车空调系统；

图2是现有技术中汽车空调系统的压焓图；

图3是本发明汽车空调系统于第一实施方式中的组成示意图；

图4是对应于图3中汽车空调系统于不同位置处的压焓图；

图5是本发明汽车空调系统的能效比(COP)-过热度图；

图6是第一实施方式中调节进入蒸发器内制冷剂的流量的步骤图；

图7是本发明汽车空调系统于第二实施方式中的组成示意图；

图8是对应于图7中汽车空调系统于不同位置处的压焓图；

图9是本发明汽车空调系统的能效比(COP)-过冷度图；

图10是第二实施方式中调节进入蒸发器内制冷剂的流量的步骤图。

具体实施方式

请参图3所示，本发明于第一实施方式中的汽车空调系统，其包括压缩机1、冷凝器2、内部热交换器3、电子膨胀阀4及蒸发器5。所述电子膨胀阀4根据控制器发出的控制信号进行开度调节。所述压缩机1包括进口11及出口12，所述冷凝器2包括进口21及出口22，所述蒸发器5包括进口51及出口52。所述内部热交换器3包括高压侧31及低压侧32，所述高压侧31包括进口311及出口312，所述低压侧32包括进口321及出口322。从图3中能够明显看出，所述压缩机1的出口12与冷凝器2的进口21相连，所述冷凝器2的出口22与内部热交换器3的高压侧31的进口311相连，所述电子膨胀阀4安装在内部热交换器3的高压侧31的出口312与蒸发器5的进口51之间，蒸发器5的出口52与内部热交换器3的低压侧32的进口321相连，所述内部热交换器3的低压侧32的出口322与压缩机1的进口11相连。

请参图4所示，其中左边曲线左侧的部分所对应的制冷剂为液态，右边曲线右侧的部分所对应的制冷剂为气态，左边曲线与右边曲线之间的部分所对应的制冷剂为气液两相混合。图4中梯形图上的数字对应于图3中具有相同标号的位置。

请参图3及图4所示，以下对本发明汽车空调系统的工作原理进行介绍：

(1). 气态制冷剂从进口11进入压缩机1，被压缩机1压缩后形成高温高压的气体(即气态制冷剂)，从出口12流出。即图4中出口12处气体的压力及比焓值均高于进口11处气体的压力及比焓值。

(2). 随后，该高温高压的气体从进口21进入冷凝器2，在冷凝器2上冷却成低温高压的液体(即液态制冷剂)，并从出口22流出。即图4中出口22处液体的比焓值低于出口12处气体的比焓值。

(3). 随后，该低温高压的液体进入内部热交换器3的高压侧31以与内部热交换器3的低压侧32进行热交换(容后详述)，从而得到更低温度的高压的液体。即图4中出口312处液体的比焓值低于出口22处液体的比焓值。该内部热交换器3的功能在于提升汽车空调系统的制冷能力。

(4). 随后，从出口312流出的液体经电子膨胀阀4节流减压后流入蒸发器5，气液两相混合的制冷剂在蒸发器5中蒸发吸热。

(5). 随后，从蒸发器5的出口52流出的气液两相混合的制冷剂进入内部热交换器3的低压侧32。在这种情形下，未在蒸发器5中完全汽化的液态制冷剂在内部热交换器3中继续蒸发吸热，这也就是为何从内部热交换器3的高压侧31的出口312流出的液态制冷剂具有更低的温度。此外，经过内部热交换器3的处理，从其低压侧32的出口321出来的制冷器完全为气态，从而避免了会损坏压缩机1的液击现象。

(6). 最后，从内部热交换器3的低压侧32的出口321出来的气态制冷器进入压缩机1，实现制冷循环。

在本发明汽车空调系统的第一实施方式中，所述控制器根据内部热交换器3的低压侧32出口322的压力(P)及温度(T)来控制内部热交换器3的低压侧32出口322的过热度，并根据该过热度向所述电子膨胀阀4发出控制信号。所述电子膨胀阀4接收该控制信号来调节其开度，进而控制进入蒸发器5内制冷剂的流量。所述压力(P)及温度(T)信号分别通过压力传感器及温度传感器测量出。电子膨胀阀4的开度随着温度压力传感器所在位置的过热度和设置过热度的差值的变化进行调整。

请参图5所示，本发明汽车空调系统的能效比(COP)与过热度存在对应关系，即在某一工况下，存在一个过热度设定值(例如10℃)使汽车空调系统的能效比最优(接近2.5)。当然，对于不同的工况，汽车空调系统的能效比随过热度设定值的变化规律也不一样。本发明采用电子膨胀阀4控制的优势是可以针对不同的应用工况，标定出不同工况下最优过热度设定值，使得汽车空调系统始终处于最优的能效比下运行。

请参图6所示，电子膨胀阀4调节进入蒸发器5内制冷剂的流量采用比例积分微分(PID)的控制方法，其包括如下步骤：

S1) 判断过热度设定值减去过热度实际值与设定区间的大小关系，所述设定区间举例来说可以为0.5~1；

S2) 若过热度设定值减去过热度实际值大于所述设定区间的最大阀值(即1)，所述控制器向电子膨胀阀4发出控制信号，减小电子膨胀阀4的开度；

S3) 若过热度设定值减去过热度实际值小于所述设定区间的最小阀值(即0.5)，所述控制器向电子膨胀阀4发出控制信号，增大电子膨胀阀4的开度；

S4) 若过热度设定值减去过热度实际值落在所述设定区间内，所述电子膨胀阀4维持当前的开度。

请参图7及图8所示，本发明于第二实施方式中的汽车空调系统与第一实施方式的区别在于：在内部热交换器3的低压侧32的出口322与压缩机1的进口11之间安装了一个气液分离器6。所述气液分离器6将内部热交换器3的低压侧32出口322的气液两相制冷剂进行分离，以确保进入压缩机1的制冷剂呈气态，从而避免了会损坏压缩机1的液击现象。另外，所述控制器根据内部热交换器3的高压侧31出口312的压力(P)及温度(T)来控制内部热交换器3的高压侧31出口312的过冷度，并根据该过冷度向所述电子膨胀阀4发出控制信号。所述电子膨胀阀4接收该控制信号来调节其开度，进而控制进入蒸发器5内制冷剂的流量。所述压力(P)及温度(T)信号分别通过压力传感器及温度传感器测量出。

请参图9所示，本发明汽车空调系统的能效比(COP)与过冷度也存在对应关系，即在某一工况下，存在一个过冷度设定值使汽车空调系统的能效比最优。当然，对于不同的工况，汽车空调系统的能效比随过冷度设定值的变化规律也不一样。本发明采用电子膨胀阀4控制的优势是可以针对不同的应用工况，标定出不同工况下最优过冷度设定值，使得汽车空调系统始终处于最优的能效比下运行。

请参图10所示，电子膨胀阀4调节进入蒸发器5内制冷剂的流量采用比例积分微分(PID)的控制方法，其包括如下步骤：

S1) 判断过冷度设定值减去过冷度实际值与设定区间的大小关系，所述设定区间举例来说可以为0.5~1；

S2) 若过冷度设定值减去过冷度实际值大于所述设定区间的最大阀值(即1)，所述控制器向电子膨胀阀4发出控制信号，减小电子膨胀阀4的开度；

S3) 若过冷度设定值减去过冷度实际值小于所述设定区间的最小阀值(即0.5)，所述控制器向电子膨胀阀4发出控制信号，增大电子膨胀阀4的开度；

S4) 若过冷度设定值减去过冷度实际值落在所述设定区间内，所述电子膨胀阀4维持当前的开度。

需要说明的是，由于第二实施方式中的汽车空调系统是通过测量内部热交换器3的高压侧31出口312的过冷度来调节电子膨胀阀4的开度，对于蒸发器5的出口52过热度及内部热交换器3的低压侧32的出口322过热度均无法监控到，也正是基于此考虑，本发明通过设置气液分离器6很巧妙的解决了该问题。当然，所述气液分离器6也可以设置在蒸发器5的出口52与内部热交换器3低压侧32的进口321之间。

需要说明的是：以上实施例仅用于说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，所属技术领域的技术人员仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种汽车空调系统中制冷剂流量的控制方法，所述汽车空调系统包括压缩机、冷凝器、内部热交换器及蒸发器，其中所述压缩机、冷凝器及蒸发器均包括进口及出口，所述内部热交换器包括高压侧及低压侧，所述高压侧及低压侧亦均包括进口及出口，所述压缩机的出口与冷凝器的进口相连，所述冷凝器的出口与内部热交换器的高压侧的进口相连，所述内部热交换器的高压侧的出口与蒸发器的进口相连，所述蒸发器的出口与内部热交换器的低压侧的进口相连，所述内部热交换器的低压侧的出口与压缩机的进口相连，其特征在于：所述汽车空调系统还包括安装在内部热交换器的高压侧的出口与蒸发器的进口之间的电子膨胀阀及用以向所述电子膨胀阀发出控制信号的控制器，所述控制器通过如下方式一或者方式二向所述电子膨胀阀发出控制信号，所述电子膨胀阀接收该控制信号来调节其开度，进而调节进入蒸发器内制冷剂的流量：

方式一：所述控制器根据内部热交换器的低压侧出口的压力及温度来控制内部热交换器的低压侧出口的过热度，并根据该过热度向所述电子膨胀阀发出控制信号；

方式二：所述控制器根据内部热交换器的高压侧出口的压力及温度来控制内部热交换器的高压侧出口的过冷度，并根据该过冷度来向所述电子膨胀阀发出控制信号。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：未在蒸发器内完全蒸发的制冷剂在内部热交换器的低压侧继续蒸发吸热，并由此进一步降低内部热交换器的高压侧出口处制冷剂的温度。

3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述汽车空调系统还包括安装在内部热交换器的低压侧的出口与压缩机的进口之间的气液分离器，所述气液分离器将内部热交换器的低压侧出口的气液两相制冷剂进行分离，以确保进入压缩机的制冷剂呈气态。

4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述汽车空调系统还包括安装在蒸发器的出口与内部热交换器低压侧的进口之间的气液分离器，所述气液分离器将气液两相制冷剂进行分离，以确保进入内部热交换器的低压侧进口处的制冷剂呈气态。

5.如权利要求1至4项中任意一项所述的控制方法，其特征在于：方式一中调节进入蒸发器内制冷剂的流量包括如下步骤：

S1) 判断过热度设定值减去过热度实际值与设定区间的大小关系；

S2) 若过热度设定值减去过热度实际值大于所述设定区间的最大阀值，所述控制器向电子膨胀阀发出控制信号，减小电子膨胀阀的开度；

S3) 若过热度设定值减去过热度实际值小于所述设定区间的最小阀值，所述控制器向电子膨胀阀发出控制信号，增大电子膨胀阀的开度；

S4) 若过热度设定值减去过热度实际值落在所述设定区间内，所述电子膨胀阀维持当前的开度。

6.如权利要求1至4项中任意一项所述的控制方法，其特征在于：方式二中调节进入蒸发器内制冷剂的流量包括如下步骤：

S1) 判断过冷度设定值减去过冷度实际值与设定区间的大小关系；

S2) 若过冷度设定值减去过冷度实际值大于所述设定区间的最大阀值，所述控制器向电子膨胀阀发出控制信号，减小电子膨胀阀的开度；

S3) 若过冷度设定值减去过冷度实际值小于所述设定区间的最小阀值，所述控制器向电子膨胀阀发出控制信号，增大电子膨胀阀的开度；

S4) 若过冷度设定值减去过冷度实际值落在所述设定区间内，所述电子膨胀阀维持当前的开度。

7.一种汽车空调系统，其包括相互连接的压缩机、冷凝器、内部热交换器及蒸发器，其中所述压缩机、冷凝器及蒸发器均包括进口及出口，所述内部热交换器包括高压侧及低压侧，所述高压侧及低压侧亦均包括进口及出口，所述压缩机的出口与冷凝器的进口相连，所述冷凝器的出口与内部热交换器的高压侧的进口相连，所述内部热交换器的高压侧的出口与蒸发器的进口相连，所述蒸发器的出口与内部热交换器的低压侧的进口相连，所述内部热交换器的低压侧的出口与压缩机的进口相连，其特征在于：所述汽车空调系统还包括安装在内部热交换器的高压侧的出口与蒸发器的进口之间的电子膨胀阀及用以向所述电子膨胀阀发出控制信号的控制器，信号通过如下方式一或者方式二传递到所述控制器，所述电子膨胀阀接收所述控制器的控制信号来调节其开度，进而调节进入蒸发器内制冷剂的流量：

方式一：将反映内部热交换器的低压侧出口的过热度的低压侧出口的压力及温度信号传递到所述控制器；

方式二：将反映内部热交换器的高压侧出口的过冷度的高压侧出口的压力及温度信号传递到所述控制器。

8.如权利要求7所述的汽车空调系统，其特征在于：上述方式一及方式二中的压力信号均通过压力传感器测量出。

9.如权利要求7所述的汽车空调系统，其特征在于：上述方式一及方式二中的温度信号均通过温度传感器测量出。

10.如权利要求7所述的汽车空调系统，其特征在于：所述汽车空调系统按照权利要求1至6项中任意一项所述的控制方法对进入蒸发器内制冷剂的流量进行调节。

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