CN104110741B - 一种基于多循环蒸发冷却技术的空调机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于蒸发冷却技术的空调机，包括：室内、室外外机，室内机有蒸发冷却多循环系统；蒸发冷却多循环系统有多个彼此级联的子系统，其中，各子系统有蒸发区和热交换区；蒸发区上下端之间通过真空管构成真空回路；真空回路至少一段设置于热交换区；多个蒸发区于室内机风道内气流上游至下游方向分别设置；蒸发区内铺设隔温结；按照风道内气流上游至下游方向，各子系统内冷媒沸点依次降低；第一级子系统热交换区由真空管连接于室外机热交换器；除第一级子系统热交换区外，其他热交换区通过真空管与其上一级热交换区连接；室内机有冷却风道和内部风扇，内部风扇设在冷却风道下侧；冷却风道设在中间热交换区外侧。以实现低能耗空气温度调节。

Description

一种基于多循环蒸发冷却技术的空调机

技术领域

本发明涉及一种空调机，特别是一种基于多循环蒸发冷却技术的空调机。

背景技术

蒸发冷却从热学原理上是利用流体沸腾时的汽化潜热带走热量。这种利用流体沸腾时的汽化潜热的冷却方式就叫做“蒸发冷却”。由于流体的汽化潜热要比流体的比热大很多，所以蒸发冷却的冷却效果更为显著。

上述原理的一个应用即热传递回路的应用如下：

热传递回路是在封闭的真空管中，填充相变吸热和放热的冷媒形成的。在热传递回路的蒸发端，管内的冷媒吸收热量，蒸发为汽态且管内由此形成正压，所吸收的热量即为工作液体的蒸发潜热；在所形成的正压及后述负压的作用下，蒸汽从热传递回路内通道流向其冷凝端，在冷凝端放出热量凝结成液体，且由此形成负压，液体靠重力再回流到蒸发端，完成了一个闭合循环。如此反复，热传递回路冷媒不断将热量从蒸发端运输至冷凝端，形成热传递回路的蒸发端与冷凝端的温差。其中的一个典型的应用为热管(heat tube)。

现今市面上常见的空调机能耗较大，提高了使用成本，而且不利于环保。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于多循环蒸发冷却技术的空调机，以实现低能耗的空气温度调节。

本发明提供的一种基于多循环蒸发冷却技术的空调机，包括：室内机和室外机，所述室内机包括：进气风道、驱动所述进气风道内气流流动的主风机和冷却风道；所述室外机包括：热交换器和为所述热交换器降温的风机；

其中，

所述室内机还包括蒸发冷却多循环系统和内部冷却风扇；

所述蒸发冷却多循环系统包括多个彼此级联的蒸发冷却循环子系统，其中，各所述蒸发冷却循环子系统包括：蒸发区以及中间热交换区；

所述蒸发区的上、下端之间通过真空管构成真空回路；

所述真空回路的至少一段设置于所述中间热交换区内；

多个所述蒸发区于所述风道内气流的上游至下游方向分别设置；

所述蒸发区内铺设有防止其与外界进行热交换的隔温结；

按照所述风道内气流的上游至下游方向，各个所述蒸发冷却循环子系统内的冷媒的沸点依次降低；

第一级蒸发冷却循环子系统的中间热交换区通过真空管连接于所述室外机的所述热交换器；

除了第一级蒸发冷却循环子系统的中间热交换区之外，其他中间热交换区通过其他真空管与其上一级中间热交换区连接；

所述内部冷却风扇设置在所述冷却风道的下侧端口，其用于将通过上述蒸发区后冷却下来的一部分进气送入所述冷却风道；所述冷却风道设置所述中间热交换区的外侧。

在上述空调机中，所述蒸发区包括：

风冷热交换器；

喷淋头，其设置在所述风冷热交换器的热交换面对向上；

喷流泵，其通过所述蒸发区的喷淋管路与所述喷淋头连通；

储液罐，其设置所述真空回路上，并通过所述蒸发区的泵管路与所述喷流泵连通；

所述风冷热交换器设置在所述真空回路内，其上、下端通过构成了所述真空回路的所述真空管与所述储液罐连接。

所述中间热交换区包括：

热交换空间；

另一喷淋头，其设置在所述热交换空间内；

另一喷流泵，其通过所述中间热交换区的喷淋管路与所述另一喷淋头连通；

另一储液罐，其通过所述中间热交换区的泵管路与所述另一喷流泵连通；

所述热交换空间的下端通过热交换空间真空管与所述另一储液罐连接。

由上可以看出，通过喷流泵与喷淋头的组合将冷媒喷入风冷热交换器和热交换空间中，可以提高冷媒的蒸发效率。

在上述空调机中，在各级蒸发冷却循环子系统中，构成所述真空回路的真空管的至少一段设置在所述热交换空间内。

在上述空调机中，在第一级蒸发冷却循环子系统中，其内的所述热交换空间的上端通过热交换器真空管连接于所述室外机的所述热交换器；

除了所述第一级蒸发冷却循环子系统内的所述热交换空间之外，其他级蒸发冷却循环子系统内的所述热交换空间的上端通过热交换空间储液罐真空管与所述另一储液罐连接。

在上述空调机中，每一级所述蒸发冷却循环子系统内的所述热交换空间储液罐真空管的至少一段设置在上一级所述蒸发冷却循环子系统内的所述热交换空间内。

在上述空调机中，所述喷流泵是单向喷流泵。

在上述空调机中，所述风冷热交换器为风冷循环翅片。

在上述空调机中，所述隔温结是由不导热材料构成的管件、垫片或接盘。

在上述空调机中，所述热交换器为V型冷却翅片。

在上述空调机中，在上述各真空管内设置有分别用于测量液、气态冷媒温度和压力的温度、压力传感器；

所述总控系统与上述各喷流泵、主风机、内部冷却风扇和上述各传感器电连接，用于控制上述各喷流泵、主风机和内部冷却风扇的运行，以及根据上述各传感器的反馈监测液、气态冷媒的温度和压力。

由上可以看出，上述空调机可通过设置多级具有不同沸点的冷媒的蒸发冷却循环子系统，利用上一级蒸发冷却循环子系统中的冷媒饱和汽体的温度蒸发下一级蒸发冷却循环子系统中的冷媒，实现温度从高至低的单向传导，这一传导过程无需使用额外电力的辅助，既环保又节能。

附图说明

图1为本发明的空调机的工作原理图；

图2为本发明的空调机一实施例的结构图。

具体实施方式

下面结合图1详细介绍本发明提供的基于多循环蒸发冷却技术的空调机的工作原理。

一般而言，需要向上述空调机的彼此间由真空管路构成的、由热交换区连接的多级真空回路(具体结构将在下文中详细介绍)中加入不同沸点的冷媒。

下面，以在一个热传递周期内首先进行热交换的真空回路为第一级真空回路，以最后一个进行热交换的真空回路为第n级真空回路。基于蒸发冷却技术的原理，各真空回路中冷媒沸点的关系表示如下：

bp₁>bp₂>…>bp_n，其中，bp₁为第一级真空回路内的冷媒的沸点，bp₂为第二级真空回路内的冷媒的沸点，bp_n为第n级真空回路内的冷媒的沸点，并且上一级真空回路内的冷媒的沸点要大于或等于在本级真空回路负压作用下的下一级真空回路内冷媒饱和气体温度。而根据冷媒沸点以及真空回路的真空体积，很容易根据现有计算式计算出冷媒饱和气体的温度，具体计算过程在此不再赘述。

其中，关于具有不同沸点的冷媒，目前已应用在大型发电机机组中(CFC-112中文名：三氯三氟乙烷，沸点60℃左右)用于冷却发电机。此种冷媒调配有一定技术含量，但是可以实现。具体如下：

对于此热量传递装置中各回路使用的不同沸点的冷媒调配方法(一般通用方法)，一般而言，将两种特性相同并且互溶的氟，但氟沸点不同，例如氟一沸点在-20℃，氟二沸点在60℃。在低温环境下将两种氟按一定比例相互溶解在一起，形成一种新氟。

使用沸点测定仪器(市场有售)进行沸点测试。从而调配出理想的沸点的冷媒。以此类推，可以调配出不同沸点(如18℃，30℃，43℃等)可以在此装置中个使用的氟。

基于蒸发冷却技术的装置在工作时首先蒸发第一级真空回路内的冷媒，这样基于蒸发冷却原理，可使各级真空回路内的冷媒凭借其下级真空回路内的冷媒饱和气体所携带的热量实施蒸发冷却循环，进而实现热量的阶梯式单向传递。

如图1所示，第一级(至上而下的顺序)真空回路内的冷媒饱和气体流动至第一级、第二级真空回路之间热交换区后，与第二级真空回路内的冷媒进行热交换。第二级真空回路内的冷媒吸收热量蒸发成饱和气体，而第一级真真空回路内的饱和气体放热冷凝后，流回并重新蒸发。第二级、第三级真空回路之间的热交换过程同上，由此可实现热量的阶梯式单向传递，也就是温度的阶梯式转换。

下面参照附图详细介绍本发明提供的基于多循环蒸发冷却技术的空调机。

如图2所示，本发明提供的一种基于上述多循环蒸发冷却技术的空调机包括：室内机1和室外机2。其中室内机1包括：主风机11、蒸发冷却多循环系统12、内部冷却风扇13、总控系统14、进气风道(未图示)和冷却风道(未图示)。

其中，主风机11设置在进气风道的出气口处。室内机1的蒸发冷却多循环系统12自上而下包括第一温度区(蒸发区)121，第二温度区(蒸发区)122和第三温度区(蒸发区)123。第一、第二和第三温度区121,122,123分别位于风道内进风的上游、中游和下游。也就是说，风道具有这样一种结构，该结构可使风道内的进风首先经过第一温度区121，接着经过第二温度区122，最后经过第三温度区123。

在第一、第二和第三温度区121,122,123内分别设置有第一、第二和第三风冷热交换器1211,1221,1231。

在对着各风冷热交换器1211,1221,1231热交换面的方向上，分别设置有第一、第二和第三喷淋头1212,1222,1232，以及通过不同温度区的喷淋管路(未图示)分别与第一、第二和第三喷淋头1212,1222,1232连通的第一、第二和第三喷流泵1213,1223,1233。

各喷流泵1213,1223,1233通过不同温度区的泵管路(未图示)分别与第一、第二和第三储液罐1214,1224,1234的出口(未图示)连接。而各风冷热交换器1211,1221,1231的下端可通过其他管路分别与第一、第二和第三储液罐1214,1224,1234的进口(未图示)连接。

此外，在第一、第二和第三温度区121,122,123内还设置有隔温结(未图示)，以确保第一、第二和第三温度区121,122,123不能传导温度，并使第一、第二和第三温度区121,122,123可以承受一定正、负压。

上述温度区的第一、第二和第三储液罐1214,1224,1234中储存着沸点分别为33℃、27℃和21℃的冷媒(例如氟)。

在第一、第二和第三中间热交换区124,125,126内分别设置有第一、第二和第三热交换空间1241,1251,1261。

第一、第二和第三热交换空间1241,1251,1261内分别设置有上述中间热交换区的第一、第二和第三喷淋头1242,1252,1262，以及通过不同热交换区的喷淋管路(未图示)分别与各喷淋头1242,1252,1262连通的上述中间热交换区的第一、第二和第三喷流泵1243,1253,1263。

上述中间热交换区的各喷流泵1243,1253,1263通过不同中间热交换区的泵管路(未图示)分别与上述中间热交换区的第一、第二和第三储液罐1244,1254,1264的出口(未图示)连接。而各上述热交换区的下端可通过其他管路分别与各储液罐1244,1254,1264的进口(未图示)连接。

上述中间热交换区的第一、第二和第三储液罐1244,1254,1264中储存着沸点分别为39℃、33℃和27℃的冷媒(例如氟)。

第一风冷热交换器1211的上端(蒸发端)与温度区的第一储液罐1214之间通过第一温度区真空管(未图示)连接。第二风冷热交换器1221的上端(蒸发端)与温度区的第二储液罐1224之间通过第二温度区真空管(未图示)连接。第三风冷热交换器1231的上端(蒸发端)与温度区的第三储液罐1234之间通过第三温度区真空管(未图示)连接。其中，第一温度区真空管的至少一段设置在中间热交换区的第一热交换空间1241内。第二温度区真空管的至少一段设置在中间热交换区的第二热交换空间1251内。而第三温度区真空管的至少一段设置在中间热交换区的第三热交换空间1261内。

第一热交换空间1241的上端(蒸发端)与中间热交换区的第一储液罐1244之间通过第一热交换空间储液罐真空管(未图示)连接。而第一热交换器真空管的至少一段经过室外机2的热交换器21(优选为V型冷却翅片)。第二热交换空间1251的上端(蒸发端)与中间热交换区的第二储液罐1254之间通过第二热交换空间储液罐真空管(未图示)连接。第三热交换空间1261的上端(蒸发端)与第三中间热交换区的第三储液罐1264之间通过第三热交换空间储液罐真空管(未图示)连接。其中，第二热交换空间储液罐真空管的至少一段设置在第一热交换区1241内。而第三热交换空间储液罐真空管的至少一段设置在第二热交换区1251内。

在热交换过程中，受到一些因素(例如环境温度)的影响，使得上述各级中间热交换区内的温度不足以使部分冷媒蒸汽快速冷凝。这样便会影响中间热交换区内的热交换效率。为了解决这一问题，上述内部冷却风扇13设置在冷却风道的下侧端口，其用于将通过上述三个温度区后冷却下来的一部分进气送入冷却风道。该冷却风道可经过上述第一至第三中间热交换区的外侧(例如，可将冷却风道盘绕在中间热交换区外侧)，为上述中间热交换区适当降温，以便加快部分冷媒蒸汽的冷凝，进而提高中间热交换区的热交换效率。

此外，还可在液、气态冷媒流动的管路内，例如上述各温度区真空管和上述各中间热交换区真空管内，设置分别用于测量液、气态冷媒温度和压力的温度、压力传感器(未图示)。

总控系统14与上述各喷流泵、主风机、内部冷却风扇和上述各传感器电连接，用于控制上述各喷流泵、主风机和内部冷却风扇的运行(由内部冷却风扇为室内机内部降温)，以及根据上述各传感器的反馈监测液、气态冷媒的温度和压力。具体控制过程为常见的电路控制流程，在此不再赘述。

此外，还可将每两两对应连接的温度区和中间热交换区(例如，第一温度区121和第一中间热交换区124构成了第一蒸发冷却循环子系统，第二温度区122和第二中间热交换区125构成了第二蒸发冷却循环子系统，而第三温度区123和第三中间热交换区126构成了第三蒸发冷却循环子系统)看作是一个蒸发冷却循环子系统，那么蒸发冷却多循环系统便由多个蒸发冷却循环子系统级联构成。

此外，在室外机2内还设置有风机22。该风机22用于将室外机2的热交换器21处产生的热量排放到室外。

在本实施例中，上述喷流泵可以是单向喷流泵。

在本实施例中，隔温结可以是由塑料、橡胶、石棉、硅胶、陶瓷等不导热材料构成的管件、垫片、接盘等。

在本实施例中，上述风冷热交换器1211,1221,1231优选为风冷循环翅片，例如，第一风冷热交换器1211可以是过滤温度介于36℃～29℃之间的风冷循环翅片；第二风冷热交换器1221可以是过滤温度介于30℃～23℃之间的风冷循环翅片；第三风冷热交换器1231可以是过滤温度介于25℃～18℃之间的风冷循环翅片。

此外，关于温度区和中间热交换区的数量可视应用环境而定，并不限于上述实施例中的具体数量。

下面，详细介绍上述空调机的工作原理。

主风机11将例如35℃的环境空气抽入至风道，由此形成的气流首先经过第一温度区121，在该区内加热了风冷热交换器1211的热管。与此同时，在温度区的第一喷流泵1213的作用下，温度区的第一喷淋头1212将温度区的第一储液罐1214中的沸点为33℃的冷媒喷洒到热管上。由此，该大部分冷媒受热蒸发。未蒸发的少部分冷媒经由第一温度区1211下端与温度区的第一储液罐1214之间的其他管路流回温度区的第一储液罐1214。而第一温度区121内的冷媒蒸汽则沿第一温度区真空管流动，并在流动到设置在第一热交换空间1241内部的那一段第一温度区真空管时，与由中间热交换区的第一喷淋头1242喷洒到第一热交换空间1241内的沸点为39℃的冷媒以及后续在第二热交换空间1251内蒸发、流过位于第一热交换空间1241内的那一段第二热交换空间储液罐真空管的冷媒蒸汽进行热交换。经过热交换后，第一热交换空间1251内蒸发的那部分冷媒(冷媒蒸汽)向上流入热交换器真空管，并通过热交换器真空管流至室外机2的热交换器21处，与热交器21进行热交换。由此产生的热量被热交换器21排放到室外，而经过本次热交换后冷凝的冷媒通过热交换器真空管流回中间热交换区的第一储液罐1244。

与此同时，已经过第一温度区121热交换过的气流流动至第二温度区122，并在该区内加热了第二风冷热交换器1221的热管。由温度区的第二喷淋头1222将温度区的第二储液罐1224中的沸点为27℃的冷媒喷洒到热管上，使该冷媒在热管的加热下蒸发(虽然经过第一温度区121热交换过的气流温度已有所降低，但仍可确保此时的气流温度大于或等于下一级冷媒的沸点，即：可通过使用依据能量守恒定律的相关公式是计算出每一级热交换后的气流温度，由此可以预先确定下一级冷媒需要具有沸点)。由此，该大部分冷媒受热蒸发。未蒸发的少部分冷媒经由第二温度区122下端与温度区的第二储液罐1224之间的其他管路流回温度区的第二储液罐1224。而第二温度区122内的冷媒蒸汽则沿第二温度区真空管流动，并在流动到设置在第二热交换空间1251内部的那一段第二温度区真空管时，与由中间热交换区的第二喷淋头1252喷洒到第二热交换空间1251内的沸点为33℃的冷媒、以及后续在第三热交换空间1261内蒸发、流过位于第二热交换空间1251内的那一段第三热交换空间储液罐真空管的冷媒蒸汽进行热交换。之后，第二温度区真空管中冷凝后的冷媒流回温度区的第二储液罐1224。而第二热交换空间1251内蒸发的那部分冷媒(冷媒蒸汽)向上流入第二热交换空间储液罐真空管。第二热交换空间1251内未蒸发的那部分冷媒经由第二热交换空间1251下端与中间热交换区的第二储液罐1254之间的其他管路流回中间热交换区的第二储液罐1254。而第二热交换空间储液罐真空管内的冷凝后的冷媒也返回至中间热交换区的第二储液罐1254。

紧接着，已经过第二温度区122热交换过的气流流动至第三温度区123，并在该区内加热了第三风冷热交换器1231的热管。由温度区的第三喷淋头1232将温度区的第二储液罐1234中的沸点为21℃的冷媒喷洒到热管上，使该冷媒在热管的加热下蒸发。由此，该大部分冷媒受热蒸发。未蒸发的少部分冷媒经由第三温度区123下端与温度区的第三储液罐1234之间的其他管路流回温度区的第三储液罐1234。而第三温度区123内的冷媒蒸汽则沿第三温度区真空管流动，并在流动到设置在第三热交换空间1261内部的那一段第三温度区真空管时，与由中间热交换区的第三喷淋头1262喷洒到第三热交换空间1261内的沸点为27℃的冷媒进行热交换。之后，第三温度区真空管中冷凝后的冷媒流回温度区的第三储液罐1234。第三热交换空间1261内蒸发的那部分冷媒(冷媒蒸汽)向上流入第三热交换空间储液罐真空管。第三热交换空间1261内未蒸发的那部分冷媒经由第三热交换空间1261下端与中间热交换区的第三储液罐1264之间的其他管路流回中间热交换区的第三储液罐1264。而第三热交换空间储液罐真空管内的冷凝后的冷媒也返回至中间热交换区的第三储液罐1264。

在此之后，经过上述三个温度区进行热交换降温的气流被最终送至室内。而由各级热交换产生的热量则经由上述各级中间热交换区传递至室外机2的热交换器21处，并在与热交器21进行热交换后排放到室外。自此，本发明空调机完成了一次蒸发冷却循环。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于多循环蒸发冷却技术的空调机，包括：室内机和室外机，所述室内机包括：进气风道、驱动所述进气风道内气流流动的主风机和冷却风道；所述室外机包括：热交换器和为所述热交换器降温的风机；

其特征在于，

所述室内机还包括蒸发冷却多循环系统和内部冷却风扇；

所述蒸发冷却多循环系统包括多个彼此级联的蒸发冷却循环子系统，其中，各所述蒸发冷却循环子系统包括：蒸发区以及中间热交换区；

所述蒸发区的上、下端之间通过真空管构成真空回路；

所述真空回路的至少一段设置于所述中间热交换区内；

多个所述蒸发区于所述风道内气流的上游至下游方向分别设置；

所述蒸发区内铺设有防止其与外界进行热交换的隔温结；

按照所述风道内气流的上游至下游方向，各个所述蒸发冷却循环子系统内的冷媒的沸点依次降低；

第一级蒸发冷却循环子系统的中间热交换区通过真空管连接于所述室外机的所述热交换器；

除了第一级蒸发冷却循环子系统的中间热交换区之外，其他中间热交换区通过其他真空管与其上一级中间热交换区连接；

所述内部冷却风扇设置在所述冷却风道的下侧端口，其用于将通过上述蒸发区后冷却下来的一部分进气送入所述冷却风道；所述冷却风道设置所述中间热交换区的外侧。

2.根据权利要求1所述的空调机，其特征在于，

所述蒸发区包括：

风冷热交换器；

喷淋头，其设置在所述风冷热交换器的热交换面对向上；

喷流泵，其通过所述蒸发区的喷淋管路与所述喷淋头连通；

储液罐，其设置所述真空回路上，并通过所述蒸发区的泵管路与所述喷流泵连通；

所述风冷热交换器设置在所述真空回路内，其上、下端通过构成了所述真空回路的所述真空管与所述储液罐连接；

所述中间热交换区包括：

热交换空间；

另一喷淋头，其设置在所述热交换空间内；

另一喷流泵，其通过所述中间热交换区的喷淋管路与所述另一喷淋头连通；

另一储液罐，其通过所述中间热交换区的泵管路与所述另一喷流泵连通；

所述热交换空间的下端通过热交换空间真空管与所述另一储液罐连接。

3.根据权利要求2所述的空调机，其特征在于，

在各级蒸发冷却循环子系统中，构成所述真空回路的真空管的至少一段设置在所述热交换空间内。

4.根据权利要求3所述的空调机，其特征在于，

在第一级蒸发冷却循环子系统中，其内的所述热交换空间的上端通过热交换器真空管连接于所述室外机的所述热交换器；

除了所述第一级蒸发冷却循环子系统内的所述热交换空间之外，其他级蒸发冷却循环子系统内的所述热交换空间的上端通过热交换空间储液罐真空管与所述另一储液罐连接。

5.根据权利要求4所述的空调机，其特征在于，

每一级所述蒸发冷却循环子系统内的所述热交换空间储液罐真空管的至少一段设置在上一级所述蒸发冷却循环子系统内的所述热交换空间内。

6.根据权利要求2所述的空调机，其特征在于，

所述喷流泵是单向喷流泵。

7.根据权利要求2所述的空调机，其特征在于，

所述风冷热交换器为风冷循环翅片。

8.根据权利要求1所述的空调机，其特征在于，

所述隔温结是由不导热材料构成的管件、垫片或接盘。

9.根据权利要求1所述的空调机，其特征在于，

所述热交换器为V型冷却翅片。

10.根据权利要求2至7中任意一项所述的空调机，其特征在于，

在上述各真空管内设置有分别用于测量液、气态冷媒温度和压力的温度、压力传感器；

所述室内机还包括总控系统，所述总控系统与上述各喷流泵、主风机、内部冷却风扇和上述各传感器电连接，用于控制上述各喷流泵、主风机和内部冷却风扇的运行，以及根据上述各传感器的反馈监测液、气态冷媒的温度和压力。