CN104930744B - 一种无车外换热器的纯电动车热泵空调 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无车外换热器的纯电动车热泵空调，包括车厢、空气处理箱、空气压缩机、空气膨胀机、回热器及两个空气四通换向阀。与现有技术相比，本发明依据逆布雷顿循环原理进行设计，使用空气作为制冷剂，采用半封闭结构。冬季制热采用低压开式结构，取消低温侧室外换热器，循环工质通道在低温侧换热部分直接从环境获取，循环结束再次送回大气环境，无换热温差，无需考虑工质通道泄露和换热器结霜问题；夏季制冷采用高压开式结构，取消高温侧换热器，空气冷却过程也没有换热温差，而且空气压缩热泵的制热/制冷能力随车内外温差增大而提高，与负荷的变化趋势一致，制冷和制热工况仅需两个空气四通换向阀完成切换。

Description

一种无车外换热器的纯电动车热泵空调

技术领域

本发明涉及一种车用空调系统，尤其是涉及一种无车外换热器的纯电动车热泵空调。

背景技术

车载空调对于保障司乘人员乘车舒适度具有重要意义。传统汽车空调仅需夏季制冷，纯电动车由于采用电机驱动，发动机余热少，冬季也需要额外的制热技术以保证车厢内的舒适度。目前常见的纯电动车空调夏季采用蒸汽压缩制冷，冬季仍采用PTC(PositiveTemperature Coefficient，正温度系数)热敏电阻制热。调查发现，尤其是冬季严寒地区，纯电动车空调冬季制热会消耗大量的电能，使续航里程大幅下降，严重制约了纯电动车的推广应用。

近年来，有人提出将蒸气压缩式热泵技术应用于纯电动车空调。蒸气压缩式热泵具有PTC热敏电阻制热不可比拟的高效性，但蒸汽压缩式热泵技术也存在很多不足之处。第一个不足之处在于车外换热器的存在，车外换热器在制冷工况下作为冷凝器，制热工况下作为蒸发器，主要存在以下三个问题。首先，制热工况下，车外换热器不断与环境进行换热，当环境温度较低时，低温侧换热器易发生结霜现象，堵塞换热通道，大大降低机组的运行效果，同时机组除霜还需要消耗额外的电能。其次，无论制热或制冷，车外换热器的存在使制冷剂与环境之间始终存在换热温差，增大了蒸发器与冷凝器之间的压力差，增加了压缩机功耗，从而大幅降低空调机组的效率。最后，无论空调机组是否使用，室外换热器和与之配套的风机、管道增加了车辆载荷，间接提高了车辆单位里程的电耗。蒸气压缩式热泵的第二个不足之处在于其制热能力与电动车的热负荷负相关。即随着环境温度的降低，车内热负荷增加，而蒸气压缩式热泵的制热量急剧下降，表现为空调送风温度和车厢温度随环境温度降低而下降，这是由蒸气压缩式热泵自身固有的特性导致的。因此，尤其在冬季严寒地区，蒸气压缩式热泵空调仍无法有效解决纯电动车的制热问题。上述问题严重阻碍了纯电动汽车的发展和进一步推广，无车外换热器的纯电动车空调可较好地解决这些问题。

发明内容

本发明的目的是为了取消纯电动汽车空调的车外换热器，解决目前纯电动汽车在冬季制热工况下车外换热器易结霜，效率低的问题，进而提供一种无车外换热器的纯电动车空调。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种无车外换热器的纯电动车热泵空调，基于半开式回热型空气压缩循环原理实现制冷和制热，包括车厢、空气处理箱、空气压缩机、空气膨胀机、回热器及两个空气四通换向阀，所述的空气处理箱入口端与新风口连通，出口端与通入车厢中的送风口连通，所述的车厢还连接有排风口，所述的空气处理箱内设有空气-空气换热器，所述的回热器有两条通道，分别为通道一与通道二，所述的空气压缩机与空气膨胀机的进气端分别与第一空气四通换向阀的两个接口连通，第一空气四通换向阀另外两个接口分别与回热器的通道二出口端及通道一出口端连通，所述的回热器通道一进口端与车外空气入口连通，通道二进口端与空气-空气换热器出口连通，所述的空气压缩机与空气膨胀机的出气端分别与第二空气四通换向阀的两个接口连通，第二空气四通换向阀的另外两个接口分别与排气口及空气-空气换热器入口连通。

本发明采用空气压缩机对空气进行压缩，所述的空气压缩机与空气膨胀机通过传动联轴器进行机械传动联接以实现膨胀功的回收。所述的空气压缩机由传动联轴器和电动车电力设备驱动。

车厢通过回流管与空气处理箱连通，车厢内的空气经回流管送入空气处理箱，作为空调回风。

所述的空气处理箱内还设有直流风机，所述的直流风机可以位于空气-空气换热器前也可以位于空气-空气换热器之后。

所述的空气-空气换热器带凝水盘。

所述空气处理箱与新风口经连接管(空气过滤器和管内风机或风阀选配)连通；所述空气处理箱与汽车车厢经若干送风风道和送风口连通，所述汽车车厢与排风口经连接管(管内风机或风阀选配)联通。

本发明中使用空气作为汽车空调循环工质，采用半开式结构，冬夏均无车外换热器，且循环工质不进入车厢。

制热工况下，第一空气四通换向阀使回热器的通道一出口端与空气压缩机进气端连通，回热器的通道二出口端与空气膨胀机进气端连通，第二空气四通换向阀使空气压缩机出气端与空气-空气换热器入口连通，空气膨胀机出气端与排气口连通。

空气-空气换热器是制热的主要设备，空气-空气换热器的换热通道内的高温高压空气与空气处理箱中的空气进行换热，以加热空气处理箱内的空气；回热器本质上是空气-空气换热器，从空气-空气换热器出来的温度较高的空气经过回热器与将进入空气压缩机的空气进行换热后温度降低，有助于降低整个空气压缩循环的压比从而提高系统效率；空气膨胀机完成循环的压降过程，过程中高压空气带动空气膨胀机转动做功，该部分功量通过传动联轴器传递给空气压缩机以实现膨胀功的回收，有助于提高空调机组整体性能；从空气膨胀机低压端排出的空气直接通过排气口排入大气，而空气压缩机入口的工质也直接通过车外空气入口从环境中抽取，机组在低温吸热段不使用换热器而是采用开放式结构，从根本上避免了蒸气压缩式热泵在冬季低温工况下的室外换热器结霜问题。通过分析空气压缩循环热泵的特性可以知道，当外界环境温度降低或机组制热温度升高时，机组制热量也是升高的，二者正相关，可保证车厢内热量的供求平衡，从而解决了蒸汽压缩式热泵中所存在的热量供需的矛盾。

制冷工况下，第一空气四通换向阀使回热器的通道一出口端与空气膨胀机进气端连通，回热器通道二出口与空气压缩机进气端连通，第二空气四通换向阀使空气膨胀机出气端与空气-空气换热器入口连通，空气压缩机出气端与排气口连通。

由车外空气入口进入的车外空气经过预冷和膨胀成为低温低压的气体，之后进入空气-空气换热器，在此与空气处理箱中的空气换热，温度升高；加热后的空气经连接管进入回热器，预冷将进入空气膨胀机的车外空气，增大机组制冷能力，自身温度进一步升高；从回热器出来的空气被吸入空气压缩机，重新压缩至大气压力，排回大气，空气压缩机为循环的主要推动力。

本发明中，制冷/制热工况的切换使用所述的两个空气四通换向阀。

本发明无车外换热器的纯电动车空调，依据逆布雷顿循环原理进行设计，使用空气作为制冷剂，采用半封闭结构。冬季制热采用低压开式结构，取消低温侧室外换热器，循环工质通道在低温侧换热部分直接从环境获取，循环结束再次送回大气环境，无换热温差，无需考虑工质通道泄露和换热器结霜问题，夏季制冷采用高压开式结构，取消高温侧换热器，空气冷却过程也没有换热温差，制冷和制热工况仅需两个空气四通换向阀完成切换。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：1.空气压缩循环的制热/制冷能力随着冷/热源温差增大而增大，与车内热/冷负荷变化趋势正相关，且制热/制冷效率随环境温度变化波动很小，大温差条件下运行效果明显优于传统蒸汽循环；2.机组设备较蒸气压缩循环少，且无需充注制冷剂，可有效降低车辆载荷从而减小单位里程的能源消耗；3.空气压缩循环采用空气作为制冷剂，低碳、环保、经济。

附图说明

图1为实施例1的流程示意图。

图中1为第一空气四通换向阀，2为第二空气四通换向阀，1A，1B，1C，1D为第一空气四通换向阀的四个接口，2A，2B，2C，2D为第二空气四通换向阀的四个接口，3为车外空气入口，5为回热器，8为空气压缩机，11为空气膨胀机，12为传动联轴器，16为空气-空气换热器，19为排气口，20为新风口，22为空气处理箱，23为直流风机，24为若干送风风道和送风口，25为车厢，28为排风口，其余均为连接管，其中连接管4，21，26可选配空气过滤器，连接管21，26，27可选配独立风机或风阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

纯电动汽车空气压缩循环热泵空调器，结构和流程如图1所示，主要结构包括第一空气四通换向阀1，第二空气四通换向阀2，车外空气入口3，回热器5，空气压缩机8，空气膨胀机11，传动联轴器12，空气-空气换热器16，排气口19，新风口20，空气处理箱22，直流风机23，若干送风风道和送风口24，车厢25，排风口28，连接管4，6，7，9，10，13，14，15，17，18，21，26，27。其中，空气-空气换热器16带凝水盘。

各部件的连接关系为：空气处理箱22入口端与新风口20通过连接管21连通，出口端与通入车厢25中的若干送风风道和送风口24连通，车厢25还通过连接管27连接有排风口28，车厢25通过连接管26与空气处理箱22连通，车厢25内的空气经连接管26送入空气处理箱22，作为空调回风。空气处理箱22内设有空气-空气换热器16与直流风机23，直流风机23设在空气处理箱22入口端与空气-空气换热器16之间。回热器5有两条通道，分别为通道一与通道二。空气压缩机8与空气膨胀机11通过传动联轴器12进行机械传动联接以实现膨胀功的回收。空气压缩机8与空气膨胀机11的进气端分别通过连接管7、连接管13与第一空气四通换向阀1的两个接口1C、1B连通，第一空气四通换向阀1另外两个接口1D、1A分别通过连接管14、连接管6与回热器5的通道二出口端及通道一出口端连通，回热器5通道一进口端通过连接管4与车外空气入口3连通，通道二进口端通过连接管15与空气-空气换热器16出口连通，空气压缩机8与空气膨胀机11的出气端分别通过连接管9、连接管10与第二空气四通换向阀2的两个接口2C、2D连通，第二空气四通换向阀2的另外两个接口2B、2A分别通过连接管18、连接管17与排气口19及空气-空气换热器16入口连通。

制热工况下，第一空气四通换向阀1的接口1A和1C互通，1B和1D互通，第二空气四通换向阀2的接口2A和2C互通，2B和2D互通。车外空气从车外空气入口3被吸入，经连接管4(可选装管内过滤器，进行空气过滤)，进入回热器5，进行预热。预热后的空气再经连接管6、第一空气四通换向阀1、连接管7，被空气压缩机8吸入压缩，空气压缩机8由传动联轴器12和电动车电力设备驱动。压缩后的高温高压空气，经连接管9、第二空气四通换向阀2、连接管17进入带凝水盘的空气-空气换热器16。在空气-空气换热器16中，高温高压空气与空气处理箱22内的空气换热、冷却，经连接管15，进入回热器5。被冷却的空气在回热器5中与将进入空气压缩机8的空气进一步换热、冷却。从回热器5流出的高压空气经连接管14、空气四通换向阀1、连接管13，进入空气膨胀机11，过程中推动空气膨胀机11做功，压力下降至大气压力。空气膨胀机11所做的功经传动联轴器12传递给空气压缩机8，实现功的回收。流出空气膨胀机11的空气经连接管10、第二空气四通换向阀2、连接管18到排气口19，排到车外，完成低压开式空气压缩热泵循环。车厢25内的空气经连接管26(管内可选装风机或风阀，控制回风量)送入空气处理箱22，作为空调回风。车外新鲜空气经新风口20、连接管21(管内可选装过滤器，过滤空气；管内可选装风机或风阀，控制新风量)，进入空气处理箱22，作为空调新风。新风和回风在空气处理箱22内混合，经直流风机23，与空气-空气换热器16内的高温高压空气进行换热。被加热的空气经过若干送风风道和送风口24进入车厢25，用于采暖和挡风玻璃除霜。车内的排风经连接管27(管内可选装风机或风阀，控制排风量)、排风口28排出。完成制热过程。

制冷工况下，第一空气四通换向阀1的接口1A和1B互通，1C和1D互通，第二空气四通换向阀2的接口2A和2D互通，2B和2C互通。车外空气从车外空气入口3被吸入，经连接管4(可选装管内过滤器，进行空气过滤)，进入回热器5，进行预冷。预冷后的空气再经连接管6、第一空气四通换向阀1、连接管13，进入空气膨胀机11，过程中推动空气膨胀机11做功，压力下降的同时温度下降。空气膨胀机11所做的功经传动联轴器12传递给空气压缩机8。膨胀后的低温低压空气，经连接管10、第二空气四通换向阀2、连接管17进入空气-空气换热器16。在空气-空气换热器16中，低温低压的空气与空气处理箱22内的空气换热、温度上升，经连接管15，进入回热器5。被加热的空气在回热器5中与将进入空气膨胀机11的空气进一步换热、升温。从回热器出来的空气经连接管14、第一空气四通换向阀1、连接管7，被空气压缩机8吸入，压缩至大气压力，空气压缩机8由传动联轴器12和电动车电力设备驱动。压缩后的高温空气，经连接管9、第二空气四通换向阀2、连接管18到排气口19，排到车外，完成高压开式的空气压缩制冷循环。车厢25内的空气经连接管26(管内可选装风机或风阀，控制回风量)送入空气处理箱22，作为空调回风。车外新鲜空气经新风口20，连接管21(管内可选装过滤器，过滤空气；管内可选装风机或风阀，控制新风量)，进入空气处理箱22，作为空调新风。新风和回风在空气处理箱22内混合，经直流风机23，与空气-空气换热器16内的低温低压空气进行换热，降温除湿。经降温除湿处理后的空气经过若干送风风道和送风口24进入车厢25，用于调节车厢28内的温湿度。车内的排风经连接管27(管内可选装风机或风阀，控制排风量)，排风口28排出。凝水盘中的冷凝水通过排水管道排出车外。完成制冷过程。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种无车外换热器的纯电动车热泵空调，其特征在于，包括车厢、空气处理箱、空气压缩机、空气膨胀机、回热器及两个空气四通换向阀，所述的空气处理箱入口端与新风口连通，出口端与通入车厢中的送风口连通，所述的车厢还连接有排风口，所述的空气处理箱内设有空气-空气换热器，所述的空气压缩机与空气膨胀机的进气端分别与第一空气四通换向阀的两个接口连通，第一空气四通换向阀另外两个接口分别与回热器的通道二出口端及通道一出口端连通，所述的回热器通道一进口端与车外空气入口连通，通道二进口端与空气-空气换热器出口连通，所述的空气压缩机与空气膨胀机的出气端分别与第二空气四通换向阀的两个接口连通，第二空气四通换向阀的另外两个接口分别与排气口及空气-空气换热器入口连通。

2.根据权利要求1所述的一种无车外换热器的纯电动车热泵空调，其特征在于，制热工况下，第一空气四通换向阀使回热器的通道一出口端与空气压缩机进气端连通，回热器的通道二出口端与空气膨胀机进气端连通，第二空气四通换向阀使空气压缩机出气端与空气-空气换热器入口连通，空气膨胀机出气端与排气口连通。

3.根据权利要求1所述的一种无车外换热器的纯电动车热泵空调，其特征在于，制冷工况下，第一空气四通换向阀使回热器的通道一出口端与空气膨胀机进气端连通，回热器通道二出口与空气压缩机进气端连通，第二空气四通换向阀使空气膨胀机出气端与空气-空气换热器入口连通，空气压缩机出气端与排气口连通。

4.根据权利要求1所述的一种无车外换热器的纯电动车热泵空调，其特征在于，所述的空气压缩机与空气膨胀机通过传动联轴器进行机械传动联接以实现膨胀功的回收。

5.根据权利要求1所述的一种无车外换热器的纯电动车热泵空调，其特征在于，所述的空气压缩机由传动联轴器和电动车电力设备驱动。

6.根据权利要求1所述的一种无车外换热器的纯电动车热泵空调，其特征在于，车厢通过回流管与空气处理箱连通，车厢内的空气经回流管送入空气处理箱，作为空调回风。

7.根据权利要求1所述的一种无车外换热器的纯电动车热泵空调，其特征在于，所述的空气处理箱内还设有直流风机。

8.根据权利要求1所述的一种无车外换热器的纯电动车热泵空调，其特征在于，所述的空气-空气换热器带凝水盘。

9.根据权利要求1所述的一种无车外换热器的纯电动车热泵空调，其特征在于，使用空气作为汽车空调循环工质。