CN108240715A - 一种高效补气式热泵空调系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效补气式热泵空调系统，包括：压缩机，依次连通车内冷凝器、第一三通阀、车外冷凝器、第二三通阀、干燥器、经济器、第一电子膨胀阀、第三三通阀、车内蒸发器、压缩机入口，构成制冷主回路；制热主回路，依次连通压缩机、车内冷凝器、第一三通阀、干燥器、经济器、第一电子膨胀阀、第三三通阀、车外冷凝器、第三三通阀、车内蒸发器、压缩机入口；制冷/热补气支路，依次连通干燥器出口、第二电子膨胀阀、经济器、两并联电磁截止阀、压缩机；本发明通过增设使用经济器的补气回路，在制冷和制热模式下都可以进行补气，并通过电磁阀的控制在制冷和制热条件下分别选择相应的补气孔以提升系统效率。
Description
技术领域
本发明涉及汽车空调制冷领域，尤其涉及一种高效补气式热泵空调系统。
背景技术
汽车空调通过控制车内温湿度来保持车内环境舒适性，并通过除霜、除雾来提高汽车行驶中的安全性，是汽车中的重要组成部分，也是汽车中耗能最大的辅助设备。与传统的内燃式发动机汽车或混合动力汽车相比，纯电动汽车无发动机作为动力源驱动空调系统进行制冷运行，也无发动机余热可利用以实现供暖和除霜。
电动汽车需要依靠空调系统进行冬季制热，因此，其空调系统多使用热泵式空调系统。对于传统热泵空调系统而言，其存在低温制热性能和高温制冷性能较差的问题需要进行解决。
现有的技术中，用以解决热泵空调系统低温制热和高温制冷性能较差的方式主要有两种：复叠式和补气式。对于电动汽车热泵空调系统而言，补气式是解决这个问题一种行之有效的方法。
随着补气式热泵系统的发展，经济器在其中得到了重大的应用。采用经济器不仅可以实现对于压缩机的补气，还能够提高冷凝器出口处制冷剂的过冷度，增大系统的制热量，对于系统的效率有很大的提升。
补气式热泵空调系统较为复杂，以往人们多采用四通换向阀进行设计。然而四通换向阀的加工技术尚不十分成熟，其多用于家用电器等工作环境较好，震动较小的领域。在电动汽车中使用四通换向阀的热泵系统会存在一定的隐患。且目前现有电动汽车热泵空调系统低温制热和高温制冷性能较差。
发明内容
本发明为解决目前的技术不足之处，提供了一种高效补气式热泵空调系统，开设在补气支路增设两种不同角度的补气孔，通过电磁截止阀控制制冷和制热工况下制冷剂可以通过最适宜的补气孔，从而提升系统的效率。
本发明提供的技术方案为：一种补气式电动热泵空调系统，其特征在于，包括：
制冷主回路，其包括依次连通的压缩机、车内冷凝器、第一三通阀、车外冷凝器、第二三通阀、干燥器、经济器、第一电子膨胀阀、第三三通阀和车内蒸发器；
制热主回路，其包括依次连通的压缩机、车内冷凝器、第一三通阀、干燥器、经济器、第一电子膨胀阀、第三三通阀、车外冷凝器、第三三通阀和车内蒸发器；
所述压缩机上设置制热补气孔和制冷补气孔；
制冷补气支路，依次连通干燥器出口、第二电子膨胀阀、经济器、制冷电磁截止阀、压缩机的制冷补气孔；
制热补气支路，依次连通干燥器出口、第二电子膨胀阀、经济器、制热电磁截止阀、压缩机的制热补气孔；
经济器分为节流室与换热室，且分别连通在所述制冷补气支路、制热补气支路与制冷主回路中，且所述节流室与换热室中液体流动方向相反；
当处于补气制冷模式时，切换第一三通阀、第二三通阀和第三三通阀，使所述制冷主回路和制冷补气支路处于连通状态，所述制热主回路及制热补气支路、制冷补气支路处于关闭状态；
当处于补气制热模式时，切换第一三通阀、第二三通阀和第三三通阀，使所述制热主回路和制热补气支路处于连通状态，所述制冷主回路和制热补气支路和制冷补气支路处于关闭状态。
优选的是，还包括：
气液分离器，串联在压缩机的入口。
优选的是，还包括：
第一电磁截止阀，串联在压缩机与车内冷凝器之间。
优选的是，还包括：
当处于制冷模式时，切换第一三通阀、第二三通阀和第三三通阀，断开制冷电磁截止阀和制热电磁截止阀，使所述制冷主回路处于连通状态，制热主回路和制冷补气支路、制热补气支路处于关闭状态；
当处于制热模式时，切换第一三通阀、第二三通阀和第三三通阀，断开制冷电磁截止阀和制热电磁截止阀，所述制热主回路处于连通状态，制冷主回路和制冷补气支路、制热补气支路处于关闭状态。
优选的是，
当处于除霜模式时，压缩机依次连通车内冷凝器、车外冷凝器和车内蒸发器。
优选的是，还包括：
所述制热补气孔和制冷补气孔，以不同开设角度分布在压缩机上。
优选的是，还包括：
压缩机采用补气增焓式涡旋压缩机。
优选的是，还包括：
第一风门，设置在车内冷凝器旁，控制其工作状态，在所述制热模式和补气制热模式时处于工作状态，其余状态不工作，在所述制冷模式、除霜模式和补气制冷模式时不工作。
优选的是，还包括：
第二风门，设置在车内蒸发器旁，控制其工作状态，在所述制冷模式、除霜模式和补气制冷模式时处于工作状态，在所述制热模式和补气制热模式时不工作。
优选的是，还包括：
风机，设置在所述车内蒸发器旁。
本发明所述的有益效果：1)增加补气循环回路，使用三通阀作为制冷剂流路的调节阀，使系统具备了更好的稳定性；2)根据制热工况和制冷工况下最佳补气孔位置的不同，在涡旋压缩机静涡旋盘上同时开设用于制热补气和制冷补气的补气孔，通过控制电磁截止阀的方式，使得不同补气工况下制冷剂由不同补气孔进入涡旋压缩机，从而使系统效率得到提升。
附图说明
图1为本发明所述的一种高效补气式热泵空调系统总体结构示意图。
图2为本发明所述的夏季车内制冷工作状态示意图。
图3为本发明所述的冬季车内制热工作状态示意图。
图4为本发明所述的除霜模式工作状态示意图。
图5为本发明所述的补气制冷工作状态示意图。
图6为本发明所述的补气制热工作状态示意图。
图7为本发明所述的用以计算最佳补气孔开设角度的系统压焓图。
图8为本发明所述的用来计算的涡旋压缩机涡旋盘的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，压缩机01，依次连通车内冷凝器03、第一三通阀04的ab端口、车外冷凝器05、第二三通阀06的ab端口、干燥器11、经济器13、第一电子膨胀阀14、第三三通阀10的ab端口、车内蒸发器07、压缩机01入口，构成制冷主回路；
制热主回路，依次连通压缩机01、车内冷凝器03、第一三通阀04的ac端口、干燥器11、经济器13、第一电子膨胀阀14、第三三通阀10的ac端口、车外冷凝器05、第三三通阀10的ac端口、车内蒸发器07、压缩机01入口；
压缩机01上设置制热补气孔和制冷补气孔；
制冷补气支路，依次连通干燥器11出口、第二电子膨胀阀12、经济器13、制冷电磁截止阀17、压缩机01的制冷补气孔；
制热补气支路，依次连通干燥器11出口、第二电子膨胀阀12、经济器13、制热电磁截止阀18、压缩机01的制热补气孔；
经济器13分别连通在所述制冷补气支路、制热补气支路与制冷主回路中，且连通方向相反,液体流动方向相反；配置成所述补气回路制冷剂在其中与制冷剂主回路中未经节流的制冷剂换热再返回到压缩机01。
气液分离器09，串联在压缩机01的入口。制热补气孔和制冷补气孔，以不同开设角度分布在压缩机01上。制冷电磁截止阀17和制热电磁截止阀18并联设置，并串联在制冷补气支路、制热补气支路的压缩机入口处；制冷电磁截止阀17和制热电磁截止阀18可以控制制冷补气孔和制热补气孔的开关状态。压缩机01采用补气增焓式涡旋压缩机。第一风门16，设置在车内冷凝器03旁，控制其工作状态；第二风门15，设置在车内蒸发器07旁，控制其工作状态。风机08，设置在所述车内蒸发器07旁。
当处于补气制冷模式时，当处于补气制冷模式时，切换第一三通阀04、第二三通阀06和第三三通阀10，使所述制冷主回路和制冷补气支路处于连通状态，所述制热主回路和制热补气支路处于关闭状态；
当处于补气制热模式时，切换第一三通阀04、第二三通阀06和第三三通阀10，使所述制热主回路和制热补气支路处于连通状态，所述制冷主回路和制冷补气支路处于关闭状态。
当处于补气制热模式时，所述制热主回路和制热补气支路处于连通状态。
本发明通过三通阀的切换能够实现多种工作模式，以满足不同的需求，工作模式如下：
夏季车内制冷模式：如图2所示，经压缩机01压缩后的高温高压制冷剂经过制冷电磁截止阀02进入车内冷凝器03中，此时车内冷凝器03处第一风门16处于关闭状态，车内冷凝器03不工作。制冷剂后流经第一三通阀04的端口a，并从端口b流出，随后制冷剂流经车外冷凝器05，此时车外冷凝器05充当冷凝器，从车外冷凝器05出来后，制冷剂流经第二三通阀06，由端口a进入，并从端口b流出，随后制冷剂流经干燥器11进入经济器13，随后流经第一电子膨胀阀14变成低温低压制冷剂，随后流经第三三通阀10，从端口a流入，并从端口b流出，随后流经车内蒸发器07，此时第二风门15处于开启状态，最后制冷剂流经气液分离器09并流回压缩机01，实现制冷循环。
冬季车内制热工作模式：如图3所示，经压缩机01压缩后的高温高压制冷剂经过制冷电磁截止阀02进入车内冷凝器03中，此时第一风门16处于开启状态，后流经第一三通阀04，从端口a进入并从端口c流出，随后进入干燥器11，经济器13，随后流经第一电子膨胀阀14变成低温低压制冷剂，随后流经第三三通阀10，由端口a进入并从端口c流出，随后流经车外换热器5，车外冷凝器05此时充当冷凝器，随后制冷剂流经第二三通阀06，由端口a进入并从端口c流出，随后制冷剂流经车内蒸发器07，第二风门15此时处于关闭状态，车内蒸发器07不进行换热，随后制冷剂顺次流经气液分离器09和压缩机01，实现制热循环。
除霜模式，如图4所示，经压缩机1压缩后的高温高压制冷剂经过制冷电磁截止阀02进入车内冷凝器03中，此时第一风门16处于关闭状态，车内冷凝器03不换热。后流经第一三通阀4，从端口a流入，并从端口b流出，随后制冷剂流入车外冷凝器05，从车外冷凝器05流出后，制冷剂流经第二三通阀06，从端口a流入并从端口c流出，随后制冷剂流经车内蒸发器07，第二风门15此时处于关闭状态，车内换热器07不工作。随后制冷剂流经气液分离器09并最终流回压缩机01，实现除霜循环。
补气制冷模式，如图5所示，经压缩机01压缩后的高温高压制冷剂经过制冷电磁截止阀02进入车内冷凝器03中，此时第一风门16处于关闭状态，车内冷凝器03不工作。随后制冷剂流经第一三通阀04，由端口a流入，并由端口b流出，随后制冷剂进入车外冷凝器05，此时车外冷凝器05作为冷凝器工作。随后制冷剂流经第二三通阀06，由端口a进入并由端口b流出随后制冷剂流经干燥器11，随后制冷剂进行分流，主循环回路制冷剂随后流经经济器13，并与流入经济器13的补气循环回路制冷剂进行换热，以增大过冷度。然后流入第一电子膨胀阀14变成低温低压制冷剂，制冷剂随后流经第三三通阀10，由端口a流入，并由端口b流出，随后主循环回路制冷剂流经车内蒸发器07，第二风门15此时处于开启状态，随后主循环回路制冷剂流经气液分离器09，并最终流回压缩机01，而补气循环回路制冷剂在分流后流经第二电子膨胀阀12进行节流，并变为中温中压制冷剂，随后补气循环回路制冷剂进入经济器13并与主循环回路制冷剂进行换热，随后补气循环回路制冷剂经由制冷电磁截止阀17回到压缩机01中的制冷补气孔，对压缩机进行补气。从而完成整个补气制冷循环。
补气制热模式，如图6所示，经压缩机1压缩后的高温高压制冷剂经过制冷电磁截止阀02进入车内冷凝器03中，此时第一风门16处于开启状态。后流经第一三通阀04，从端口a进入并从端口c流出。随后制冷剂流经干燥器11，随后制冷剂进行分流，其中主循环回路制冷剂流经经济器13并与流入经济器13的补气循环回路制冷剂进行换热，以增大过冷度，然后流入第一电子膨胀阀14变成低温低压制冷剂，主循环回路制冷剂随后流经第三三通阀10，由端口a流入并由端口c流出，随后流经车外冷凝器05，车外换热器此时充当蒸发器，随后主循环回路制冷剂流经第二三通阀06，并由a端进入由c端流出，流出后进入车内蒸发器07，第二风门15此时处于关闭状态，车内蒸发器07不换热，随后主循环回路制冷剂流经气液分离器09并最终流回压缩机01，而补气循环回路制冷剂在分流后流经第二电子膨胀阀12进行节流，并变为中温中压制冷剂，随后补气循环回路制冷剂进入经济器13并与主循环回路制冷剂进行换热，随后补气循环回路制冷剂经由制冷电磁截止阀18流回压缩机01制热补气孔，对压缩机01进行补气，从而完成整个补气制热循环。
如图7所示，为系统循环的压焓图，图中各点对应于系统所面向工作条件下的各个参数点的值，在这里并不进行固定的赋值，其中1点对应涡旋压缩机吸气时的制冷剂状态点，2点对应于涡旋压缩机排气时的制冷剂状态点，3点对应的是主制冷剂循环回路中制冷剂在经济器与补气循环回路制冷剂换热后的状态点出口处的制冷剂状态点，4点对应的是主循环回路制冷剂节流阀出口处的制冷剂状态点，5点对应的是补气循环回路制冷剂在经济器出口处的状态点，6点对应的是主循环回路制冷剂和补气循环回路制冷剂在压缩机中混合后的制冷剂的状态点，3点对应的是冷凝器出口处制冷剂的参数点。8点对应经济器出口处的气态制冷剂参数。
根据压焓图的性质以及制冷剂在各部件中的变化过程，可以算得制冷和制热COP的表达式分别为
式中：ms为主制冷剂循环回路的质量流量，即由吸气孔流回压缩机的制冷剂质量流量。mi为补气循环回路的质量流量，即由补气孔回到压缩机的制冷剂质量流量，h1,h2,h3,h5,h6,h7,h8分别为图7中7个点对应的焓值。
如图8所示，为计算用的涡旋压缩机涡旋盘的示意图，第一压缩室A，第二压缩室B，第三压缩室C分别如图中所示，其中，D为动涡盘，E为静涡盘。根据涡旋压缩机中压缩室内压力与压缩机转角的关系，有
式中vi为压缩室内压力，p为涡旋线节距，t为涡旋齿的厚度，i为所在第i压缩室，h为涡旋齿的高度；其中i>1且为整数。因为补气孔一般不开在第一压缩室中，因此i＝1时不进行说明。
根据上述说明，可以根据系统自身所面向的条件及各参数点求出制热或制冷补气时最大COP对应的补气压力，并根据补气压力求出制热用补气孔和制冷用补气孔的所在压缩室和开孔角度对涡旋压缩机的补气孔进行开设。
制冷和制热过程中，根据压缩机吸气口的压力变化可以控制相关的阀门机构调节来实现补气的功能。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (10)
1.一种高效补气式热泵空调系统，其特征在于，包括：
制冷主回路，其包括依次连通的压缩机、车内冷凝器、第一三通阀、车外冷凝器、第二三通阀、干燥器、经济器、第一电子膨胀阀、第三三通阀和车内蒸发器；
制热主回路，其包括依次连通的压缩机、车内冷凝器、第一三通阀、干燥器、经济器、第一电子膨胀阀、第三三通阀、车外冷凝器、第三三通阀和车内蒸发器；
所述压缩机上设置制热补气孔和制冷补气孔；
制冷补气支路，依次连通干燥器出口、第二电子膨胀阀、经济器、制冷电磁截止阀、压缩机的制冷补气孔；
制热补气支路，依次连通干燥器出口、第二电子膨胀阀、经济器、制热电磁截止阀、压缩机的制热补气孔；
经济器分为节流室与换热室，且分别连通在所述制冷补气支路、制热补气支路与制冷主回路中，且所述节流室与换热室中液体流动方向相反；
当处于补气制冷模式时，切换第一三通阀、第二三通阀和第三三通阀，使所述制冷主回路和制冷补气支路处于连通状态，所述制热主回路及制热补气支路处于关闭状态；
当处于补气制热模式时，切换第一三通阀、第二三通阀和第三三通阀，使所述制热主回路和制热补气支路处于连通状态，所述制冷主回路和制冷补气支路处于关闭状态。
2.根据权利要求1所述的高效补气式热泵空调系统，其特征在于，还包括：
气液分离器，串联在压缩机的入口。
3.根据权利要求1所述的高效补气式热泵空调系统，其特征在于，还包括：
第一电磁截止阀，串联在压缩机与车内冷凝器之间。
4.根据权利要求1所述的高效补气式热泵空调系统，其特征在于，
当处于制冷模式时，切换第一三通阀、第二三通阀和第三三通阀，断开制冷电磁截止阀和制热电磁截止阀，使所述制冷主回路处于连通状态，制冷补气支路、制热补气支路处于关闭状态；
当处于制热模式时，切换第一三通阀、第二三通阀和第三三通阀，断开制冷电磁截止阀和制热电磁截止阀，所述制热主回路处于连通状态，制冷主回路和制冷补气支路、制热补气支路处于关闭状态。
5.根据权利要求1所述的高效补气式热泵空调系统，其特征在于，当处于除霜模式时，压缩机依次连通车内冷凝器、车外冷凝器和车内蒸发器。
6.根据权利要求1所述的补气式电动热泵空调系统，其特征在于，还包括：
所述制热补气孔和制冷补气孔，以不同开设角度分布在压缩机上。
7.根据权利要求6所述的高效补气式热泵空调系统，其特征在于，还包括：
所述压缩机采用补气增焓式涡旋压缩机。
8.根据权利要求1所述的高效补气式热泵空调系统，其特征在于，还包括：
第一风门，设置在车内冷凝器旁，控制其工作状态，在所述制热模式和补气制热模式时处于工作状态，其余状态不工作，在所述制冷模式、除霜模式和补气制冷模式时不工作。
9.根据权利要求1所述的高效补气式热泵空调系统，其特征在于，还包括：
第二风门，设置在车内蒸发器旁，控制其工作状态，在所述制冷模式、除霜模式和补气制冷模式时处于工作状态，在所述制热模式和补气制热模式时不工作。
10.根据权利要求1所述的高效补气式热泵空调系统，其特征在于，还包括：
风机，设置在所述车内蒸发器旁。
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