CN105252991B - 具有采暖及制冷功能的车辆热泵空调系统 - Google Patents

Abstract

具有采暖及制冷功能的车辆热泵空调系统，包括空调厢体、压缩机、储液器，冷凝器、冷凝器风扇组、蒸发器、蒸发器风扇组及膨胀阀；空调厢体配置于驾驶室内，其内设有热空气生产区和冷空气生产区，冷凝器和冷凝器风扇组安装于热空气生产区，蒸发器、蒸发器风扇组及膨胀阀安装于冷空气生产区；在空调厢体的上端部位设有吹面风口和除霜风口，在空调厢体的一侧部位设有进风风口、外排风口A和外排风口B，在空调厢体的另一侧下端部位设有吹足风口；进风风口经两独立的通道分别与热空气生产区和冷空气生产区连通；在空调厢体内设有排风风门A、排风风门B、除霜风门、吹面风门、温控风门和吹足风门；压缩机和储液器配置在机舱内。本系统在环境温度较低的情况下，仍可正常工作。

Description

具有采暖及制冷功能的车辆热泵空调系统

技术领域

本发明属于车辆空调系统，特别涉及一种具有采暖及制冷功能的车辆热泵空调系统。

背景技术

车辆空调系统通常采用蒸汽压缩制冷循环，目前一般使用R134a作为工质，以满足夏季客运车厢舒适性需求。冬季乘员有采暖需求时，汽车空调系统使车外空气流从发动机冷却液吸收废热，提供给车厢。

但是，随着一些先进高效发动机及混合动力、电动车等新能源车辆的研发，使车辆空调在冬季将不能提供足够的热量进行车厢内采暖，或根本无法利用发动机余热进行采暖。通常，此类问题可以通过增加燃油加热器、电加热器等补充热源做为供暖辅助系统的补充。然而，这些设备通常具有效率低、使用成本高和不环保的不足。同时，由于增加了额外的采暖装置，而是得车辆空调系统自身的重量增加。

目前，能提供较高效率及足够热量的，比较合理的解决方案是汽车热泵空调系统。传统的汽车热泵空调系统在冬季采暖时，将蒸汽压缩式制冷循环的制冷剂流动的方向倒转，车外换热器做为蒸发器使用，吸收车外空气的热量；而车内换热器做为冷凝器使用，在车室内放出热量。但这种热泵也存在系统复杂，零部件多，成本高的缺陷。更重要的是，这类系统在环境温度低于﹣10℃时，车外蒸发器发生结冰，很难再吸收低温空气中的热量，这样导致系统效率低下，甚至无法正常工作。

另外，传统汽车空调热泵系统的结构复杂，管路、部件及阀门等配置较多，潜在的漏点多，重量大且控制策略复杂。同时，传统汽车空调热泵系统由于冷凝器在机舱内，占用机舱空间，且对机舱内的其他部件产生热辐射。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种简化空调系统的复杂性和控制难度、减少潜在漏点，且避免在环境温度较低的情况下，系统无法正常工作的具有采暖及制冷功能的车辆热泵空调系统。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：

具有采暖及制冷功能的车辆热泵空调系统，包括空调厢体、压缩机、储液器，冷凝器、冷凝器风扇组、蒸发器、蒸发器风扇组及膨胀阀，压缩机的出口经管路与冷凝器的进口连接，冷凝器的出口经管路与储液器的进口连接，储液器的出口经管路连接膨胀阀的进口，膨胀阀的出口经管路连接蒸发器的进口，蒸发器的出口经管路连接压缩机的进口，其特征在于：所述空调厢体配置于驾驶室内，所述空调厢体内设有隔板，隔板的两侧分别形成热空气生产区和冷空气生产区，所述冷凝器和冷凝器风扇组安装于空调厢体内的热空气生产区，所述蒸发器、蒸发器风扇组及膨胀阀安装于空调厢体内的冷空气生产区；在空调厢体的上端部位设有吹面风口和除霜风口，在空调厢体的一侧部位设有进风风口、外排风口A和外排风口B，在空调厢体的另一侧靠近下端的部位设有吹足风口；所述进风风口经两独立的通道分别与热空气生产区和冷空气生产区连通；在空调厢体内设有排风风门A、排风风门B、除霜风门、吹面风门、温控风门和吹足风门；在排风风门A处于全打开、排风风门B处于全关闭、除霜风门处于全关闭、吹面风门处于全打开、温控风门处于全关闭及吹足风门处于全关闭的状态下，热空气生产区与外排风口A连通，且冷空气生产区与吹面风口连通，使空调系统处于夏季制冷模式；在排风风门A处于全关闭、排风风门B处于全打开、除霜风门处于全关闭、吹面风门处于全关闭、温控风门处于全打开和吹足风门处于全打开的状态下，热空气生产区与吹足风口连通，且冷空气生产区与外排风口A和外排风口B同时连通，使空调系统处于冬季采暖模式；在排风风门A处于全打开、排风风门B处于全打开、除霜风门处于全打开、吹面风门处于全关闭、温控风门处于全关闭和吹足风门处于全打开的状态下，热空气生产区与除霜风口连通，且冷空气生产区与外排风口B连通，使空调系统处于冬季除霜模式；在排风风门A处于全打开、排风风门B处于关闭、除霜风门处于全关闭、吹面风门处于半打开、温控风门处于半打开和吹足风门处于半打开的状态下，热空气生产区与外排风口A、冷空气生产区、吹足风口同时连通，且冷空气生产区与吹面风口、热空气生产区和吹足风口同时连通，使空调系统处于春秋通风模式；在排风风门A处于全打开、排风风门B处于全打开、除霜风门处于全打开、吹面风门处于全关闭、温控风门处于全打开和吹足风门处于全打开的状态下，热空气生产区与除霜风口、吹足风口同时连通，且冷空气生产区与外排风口B连通，使空调系统处于除霜采暖模式；所述压缩机和储液器配置在机舱内。

本发明还可以采取的技术方案为：

所述进风风口和外排风口A各为两个，两个进风风口分别设置在空调厢体的对应侧靠近两边的位置，两个外排风口A也分别设置在空调厢体的对应侧靠近两边的位置，且两外排风口A分别设置在两进风风口的上方，所述外排风口B为一个，外排风口B设置在两外排风口A之间；所述排风风门A为两个，两个排风风门A与两个外排风口A一一对应。

本发明具有的优点和积极效果是：

本空调系统将冷凝器和蒸发器同时配置于安装在驾驶室内的空调厢体内，通过切换设置在空调厢体内的各个控制风门，实现了夏季制冷、冬季采暖、冬季除霜、春秋通风和除霜采暖五种工作模式。该系统简化了空调系统的复杂性和控制难度，减少了连接管路、控制阀等配置，从而减少了潜在漏点；另外，避免了环境温度对系统工作造成的不利影响，保证了在环境温度较低的情况下，系统仍可正常工作。

附图说明

图1是本发明处于夏季制冷模式的连接示意图；

图2是本发明处于冬季采暖模式的连接示意图；

图3是本发明处于冬季除霜模式的连接示意图；

图4是本发明处于春秋通风模式的连接示意图；

图5是本发明处于除霜采暖模式的连接示意图；

图6是本发明的空调厢体的立体结构示意图。

图中：1、空调厢体；1-1、吹面风口；1-2、除霜风口；1-3进风风口；1-4、外排风口A；1-5、外排风口B；1-6、吹足风口；2、压缩机；3、储液器；4、冷凝器；5、冷凝器风扇组；6、蒸发器；7、蒸发器风扇组；8膨胀阀；9、热空气生产区；10、冷空气生产区；11、排风风门A；12、排风风门B；13、除霜风门；14、吹面风门；15、温控风门；16、吹足风门。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1-6，具有采暖及制冷功能的车辆热泵空调系统，包括空调厢体1、压缩机2、储液器3，冷凝器4、冷凝器风扇组5、蒸发器6、蒸发器风扇组7及膨胀阀8。上述各部件的连接关系为：压缩机的出口经管路与冷凝器的进口连接，冷凝器的出口经管路与储液器的进口连接，储液器的出口经管路连接膨胀阀的进口，膨胀阀的出口经管路连接蒸发器的进口，蒸发器的出口经管路连接压缩机的进口。上述空调厢体配置于驾驶室内，在空调厢体内设有隔板，隔板的两侧分别形成热空气生产区9和冷空气生产区10。所述冷凝器和冷凝器风扇组安装于空调厢体内的热空气生产区。所述蒸发器、蒸发器风扇组及膨胀阀安装于空调厢体内的冷空气生产区。在空调厢体的上端设有吹面风口1-1和除霜风口1-2，在空调厢体的一侧部位设有进风风口1-3、外排风口A1-4和外排风口B1-5，在空调厢体的另一侧靠近下端的部位设有吹足风口1-6。所述进风风口经两独立的通道分别与热空气生产区和冷空气生产区连通，这样，在空调系统工作时，车外空气可从进风风口通过不同的通道分别被吸入到冷凝器风扇组与蒸发器风扇组。在空调厢体内设有排风风门A11、排风风门B12、除霜风门13、吹面风门14、温控风门15和吹足风门16，其中排风风门A的作用是：切换两个空气生产区与外排风口A的连通状态；排风风门B的作用是：控制冷空气生产区与外排风口B的连通状态；除霜风门的作用是：控制热空气生产区与除霜口的连通状态，同时可控制外排风口A的打开和关闭；吹面风门的作用是：控制冷空气生产区与吹面风口的连通状态；温控风门的作用：控制冷空气生产区与吹足风口的连通状态；吹足风门的作用是：控制吹足风口的打开和关闭，同时控制冷空气生产与热空气生产区的连通状态。

本热泵空调系统，通过控制各风门的打开，可实现以下五种工作模式：

1、夏季制冷模式

在夏季制冷模式时，其内部(制冷剂侧)的工作状态为：由压缩机驱动系统内部制冷剂流动，进入压缩机的低温低压制冷剂蒸汽经过压缩机输入压缩功后转化为高温高压的制冷剂蒸汽，制冷剂蒸汽进入空调厢体内的冷凝器，转化为高温高压的液态制冷剂，液态制冷剂通过管路进入发动机舱内的储液器，再进入空调厢体内的膨胀阀进行等焓节流，转化为低温低压的气液混合制冷剂蒸汽，进入空调厢体内的蒸发器进行等温膨胀吸热，形成低温低压的制冷剂蒸汽，再次进入压缩机，周而复始形成连续逆卡诺循环。

在该模式下，系统外部空气侧的工作状态为：

车外空气从空调厢体进风口通过不同的通道分别被吸入到冷凝器风扇组与蒸发器风扇组。冷凝器风扇组将车外空气输送到冷凝器，通过冷凝器的空气被加热，此时温控风门全关闭，排风风门A全打开，除霜风门全关闭，使热空气生产区与外排风口A连通，热空气通过外排风口A排放到车外；同时，蒸发器风扇组将车外空气输送到蒸发器，通过蒸发器的空气被冷却，此时吹足风门全关闭，排风风门B全关闭，而吹面风门全打开，使冷空气生产区与吹面风口连通，这样，冷空气通过吹面风口输送到驾驶室内，进行制冷降温。

2、冬季采暖模式

在冬季制冷模式时，其内部(制冷剂侧)的工作状态与上述夏季制冷模式时的工作状态相同，在此不再赘述。

在该模式下，系统外部空气侧的工作状态如下：

车外空气从空调厢体进风口通过不同的通道分别被吸入到冷凝器风扇组与蒸发器风扇组。蒸发器风扇组将车外空气输送到蒸发器，通过蒸发器的空气被冷却，此时吹足风门全打开、排风风门B全打开、吹面风门全关闭、排风风门A全关闭、除霜风门全关闭，使冷空气生产区与外排风口A和外排风口B同时连通，这样冷空气通过外排风口A和外排风口B排放到车外；同时，冷凝器风扇组将车外空气输送到冷凝器，通过冷凝器的空气被加热，此时温控风门全打开，使热空气生产区与吹足风口连通，这样，热空气通过吹足风口输送到驾驶室内，进行采暖。

3、冬季除霜模式

在冬季除霜模式时，其内部(制冷剂侧)的工作状态与上述夏季制冷模式时的工作状态相同，在此不再赘述。

在该模式下，系统外部空气侧的工作状态如下：

车外空气从空调厢体进风口通过不同的通道分别被吸入到冷凝器风扇组与蒸发器风扇组。蒸发器风扇组将车外空气输送到蒸发器，通过蒸发器的空气被冷却，此时吹足风门全打开、排风风门A全打开、排风风门B全打开、吹面风门全关闭，使冷空气生产区与外排风口B连通，这样，冷空气通过外排风口B排放到车外；同时，冷凝器风扇组将车外空气输送到冷凝器，通过冷凝器的空气被加热，此时温控风门全关闭、除霜风门全打开，使热空气生产区与除霜风口连通，这样热空气通过除霜风口输送到驾驶室内，进行冬季玻璃除霜。

4、春秋通风模式

在春秋通风模式时，其内部(制冷剂侧)的工作状态与上述夏季制冷模式时的工作状态相同，在此不再赘述。

在该模式下，系统外部空气侧的工作状态如下：

车外空气从空调厢体进风口通过不同的通道分别被吸入到冷凝器风扇组与蒸发器风扇组。冷凝器风扇组将车外空气输送到冷凝器，通过冷凝器的空气被加热，同时，蒸发器风扇组将车外空气输送到蒸发器，通过蒸发器的空气被冷却，此时，排风风门A全打开、排风风门B全关闭、除霜风门全关闭、吹面风门半打开、温控风门半打开和吹足风门半打开，使热空气生产区与外排风口A、冷空气生产区、吹足风口同时连通，且冷空气生产区与吹面风口、热空气生产区和吹足风口同时连通，这样，热空气分别通过两条通路，经一通路后从外排风口A将部分热空气排放到车外，而在另一通路内通过半开的温控风门与通过蒸发器的少量冷空气进行混合，形成温风，温风同时从吹面风口和吹足风口排出，达到汽车空调春秋通风的效果。

在该种模式下，送风温度可以根据乘员的舒适性要求进行调节，具体的，通过配合调节温控风门的开度、吹面风门的开度和吹足风门的开度来实现。

5、除霜采暖模式

在除霜采暖模式时，其内部(制冷剂侧)的工作状态与上述夏季制冷模式时的工作状态相同，在此不再赘述。

在该模式下，该系统外部空气侧的工作状态如下：

车外空气从空调厢体进风口通过不同的通道分别被吸入到冷凝器风扇组与蒸发器风扇组。蒸发器风扇组将车外空气输送到蒸发器，通过蒸发器的空气被冷却，此时，吹足风门全打开，排风风门A全打开、排风风门B全打开，吹面风门全关闭，使冷空气生产区与外排风口B连通，这样，冷空气通过外排风口B排放到车外；同时，冷凝器风扇组将车外空气输送到冷凝器，通过冷凝器的空气被加热，此时，温控风门全打开、吹足风门全打开，使热空气生产区与除霜风口、吹足风口同时连通，这样，热空气经一通路从吹足风口输送到驾驶室内，进行采暖；热空气经另一通路后从除霜风口输送到驾驶室内，进行玻璃除霜。

上述结构中，所述进风风口和外排风口A各优选为两个。两个进风风口分别设置在空调厢体的对应侧靠近两边的位置，两边设置的两个进风风口增加了进风量，这样通过两个进风风口进入到空调厢体内的空气汇合后，再分别通过两个通路进入到热空气生产区和冷空气生产区。两个外排风口A也分别设置在空调厢体的对应侧靠近两边的位置，且两外排风口A分别设置在两进风风口的上方。两边设置的两个外排风口A增加了排风量，便于空气流通进行热量交换。所述外排风口B为一个，外排风口B设置在两外排风口A之间。所述排风风门A为两个，两个排风风门A与两个外排风口A一一对应，即两个排风风门A分别控制两个外排风口A与两个空气生产区的连通状态，在工作时，两个排风风门A同时打开和关闭。

本热泵空调系统与传统依靠逆转蒸汽压缩式制冷循环的制冷剂流动的方向来采暖的系统不同点是：以通过车内换热器的强制流动空气侧为切入点，依据乘员不同需求，通过切换不同温度的空气送入驾驶室来实现舒适性调节。具体来说，将采暖用放热热交换器(冷凝器)和制冷用吸热热交换器(蒸发器)同时配置于空调厢体内。依据不同的制冷或采暖需求，切换空调厢体内的空气，通过不同换热器而形成的流道，则不同空气流道分别提供冷风或暖风。

该系统简化了制冷系统的复杂性和控制系统的难度，解决了传统热泵空调系统在室外温度低的情形下无法高效工作或根本不能正常工作的课题。

本热泵空调系统具有结构简单，零部件、管路少，潜在的漏点少，重量轻且控制策略简单。冷凝器布置在驾驶室内，不占用机舱的空间，且没有对机舱内其他部件的热辐射影响的优点。

Claims (2)

1.具有采暖及制冷功能的车辆热泵空调系统，包括空调厢体、压缩机、储液器，冷凝器、冷凝器风扇组、蒸发器、蒸发器风扇组及膨胀阀，压缩机的出口经管路与冷凝器的进口连接，冷凝器的出口经管路与储液器的进口连接，储液器的出口经管路连接膨胀阀的进口，膨胀阀的出口经管路连接蒸发器的进口，蒸发器的出口经管路连接压缩机的进口，其特征在于：所述空调厢体配置于驾驶室内，所述空调厢体内设有隔板，隔板的两侧分别形成热空气生产区和冷空气生产区，所述冷凝器和冷凝器风扇组安装于空调厢体内的热空气生产区，所述蒸发器、蒸发器风扇组及膨胀阀安装于空调厢体内的冷空气生产区；在空调厢体的上端部位设有吹面风口和除霜风口，在空调厢体的一侧部位设有进风风口、外排风口A和外排风口B，在空调厢体的另一侧靠近下端的部位设有吹足风口；所述进风风口经两独立的通道分别与热空气生产区和冷空气生产区连通；在空调厢体内设有排风风门A、排风风门B、除霜风门、吹面风门、温控风门和吹足风门；在排风风门A处于全打开、排风风门B处于全关闭、除霜风门处于全关闭、吹面风门处于全打开、温控风门处于全关闭及吹足风门处于全关闭的状态下，热空气生产区与外排风口A连通，且冷空气生产区与吹面风口连通，使空调系统处于夏季制冷模式；在排风风门A处于全关闭、排风风门B处于全打开、除霜风门处于全关闭、吹面风门处于全关闭、温控风门处于全打开和吹足风门处于全打开的状态下，热空气生产区与吹足风口连通，且冷空气生产区与外排风口A和外排风口B同时连通，使空调系统处于冬季采暖模式；在排风风门A处于全打开、排风风门B处于全打开、除霜风门处于全打开、吹面风门处于全关闭、温控风门处于全关闭和吹足风门处于全打开的状态下，热空气生产区与除霜风口连通，且冷空气生产区与外排风口B连通，使空调系统处于冬季除霜模式；在排风风门A处于全打开、排风风门B处于关闭、除霜风门处于全关闭、吹面风门处于半打开、温控风门处于半打开和吹足风门处于半打开的状态下，热空气生产区与外排风口A、冷空气生产区、吹足风口同时连通，且冷空气生产区与吹面风口、热空气生产区和吹足风口同时连通，使空调系统处于春秋通风模式；在排风风门A处于全打开、排风风门B处于全打开、除霜风门处于全打开、吹面风门处于全关闭、温控风门处于全打开和吹足风门处于全打开的状态下，热空气生产区与除霜风口、吹足风口同时连通，且冷空气生产区与外排风口B连通，使空调系统处于除霜采暖模式；所述压缩机和储液器配置在机舱内。

2.根据权利要求1所述的具有采暖及制冷功能的车辆热泵空调系统，其特征在于：所述进风风口和外排风口A各为两个，两个进风风口分别设置在空调厢体的对应侧靠近两边的位置，两个外排风口A也分别设置在空调厢体的对应侧靠近两边的位置，且两外排风口A分别设置在两进风风口的上方，所述外排风口B为一个，外排风口B设置在两外排风口A之间；所述排风风门A为两个，两个排风风门A与两个外排风口A一一对应。