CN108369015A - 空调器 - Google Patents

Abstract

提供了一种空调器。该空调器包括压缩机(301)、以及冷凝器(302)。该空调器具有设置在从该压缩机到该冷凝器的流路中的减热器(303)。

Description

空调器

技术领域

本披露涉及一种空调器。具体地讲，本披露涉及一种便携式空调器。

背景技术

空调(AC)是将空气调节成所需状态的统称。在寒冷时期它可以加热空气，在较温暖时期可以冷却空气，或如果空气含有不期望的颗粒，则用于净化空气。然而，当强调冷却时最常使用空调这种表达。作为产品，空调器可以看起来是各种形式并以各种方式来使用，但它们都享有相同的基本技术。

经常发现，现有的便携式空调器较大、难以搬运、有噪声且效率低。此外，从房间中移除热量而连接的排风出口的设计经常是复杂且效率低的。例如在美国专利No.2,234,753中描述了一种已知的便携式空调器。

便携式AC系统的设计与其他空调器不同，因为该系统的所有部件都安装在必须在空调空间内工作的包装单元内，通过通常连接到外界的排风系统释放残余能量(在正常冷却过程中产生的)。

在便携式AC单元中，有两个一般程序来冷却空气源冷凝器：单风道和双风道方法。在第一方法(单风道)中，系统从其周围(空调空间)吸入空气，迫使空气经过冷凝器表面并最终从冷凝器中去除残余能量。然后，通过使用单风道系统将热风排出室外。在这种方法中，进风温度具有室内温度条件，这使得能量交换过程从制冷剂循环的角度来看更有利。

在双风道方法中，系统使用进风道从室外注入“热”风来冷却冷凝器。最后，来自冷凝器的相对较高温度的空气通过二次排风道再次被释放到室外。在这种方法中，进风温度处于室外温度条件下。这种方法可以为使用者提供更快的冷却效果，因为系统不使用室内空气作为冷凝器的冷却介质，但进而需要更大尺寸/体积的部件来补偿更高的入口室外温度。

两种方法、单风道和双风道，在风流量、换热器的尺寸以及风管道系统的尺寸方面都有不同的限制。

那些特殊性需要便携式AC系统利用特定尺寸的冷凝器，从而限制系统使用的最大风流量，因为进风和排风系统必须尽可能紧凑得多。

便携式AC系统中的风流量还受到噪音水平的限制，因为流过小直径软管的较大风流量导致较大的压降和较高的噪音水平。从这个意义上说，单风道系统比双风道系统有明显的优势，因为进风和循环冷凝温度之间的温差较大，需要较小的风流量来执行排热过程。

因此，对于便携式AC系统，冷凝器是设计中最关键的部件之一，因为它必须以非常有限的风流量交换更大的热负荷。因此，这种特殊性显著影响冷凝器的整体设计和整个系统的性能。

改进便携式AC系统中冷凝器能力的一种方法是使用来自蒸发器的温度相对低的冷凝水，以便去除冷凝器的部分热负荷。

一些便携式AC设计设置了排水系统，该系统使用来自蒸发器的滴落在冷凝器上的水，从而允许表面温度的降低并且随后在循环中获得较低的冷凝压力。

除滴水法外，其他一些系统包括使用轮子，从冷凝器底部喷溅过量未蒸发的水在其表面上。这种机构允许通过穿过冷凝器的空气流除去部分过量的水。

这种方法有助于降低冷却循环中的冷凝温度，并且还有助于去除系统正常运行过程中产生的部分不需要的冷凝水。

一直希望改善空调器的运行。

因此，存在着对于改进的空调器的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种至少部分解决现有空调器问题的改进的空调器。根据一个方面，与空调器的蒸气压缩循环技术相关的问题是具有针对性的，特别是与使用空气源换热器的便携式AC单元有关的问题。

此目的和其他目的是通过在所附权利要求中陈述的便携式空调器来实现的。还披露了可以与便携式空调器一起使用的装置。

通过使用具有在制冷剂进入冷凝器之前开始冷凝功能的外部减热器(通常是空冷式换热器)，可以利用由压缩机输送的热气体与从蒸发器表面滴落的冷水之间的较大温差。

根据一个实施例，提供了一种空调器。该空调器具有压缩机和冷凝器。该空调器进一步具有设置在从压缩机到冷凝器的流路中的减热器。

根据一些实施例，该空调器是便携式空调器。

根据一些实施例，该减热器位于敞开空腔中。

根据一些实施例，该空调器适于将冷凝水供给到敞开空腔。

根据一些实施例，提供了管道并且其适于将从蒸发器滴落的冷凝水引导到敞开空腔。

附图说明

现在将通过非限制性实例并参考附图来更详细描述本发明，在附图中：

-图1展示了使用空气源换热器作为冷凝器的标准制冷循环的T-S图,

-图2展示了使用外部减热器的制冷循环的T-S图，

-图3描绘了具有外部减热器的空调器，

-图4和图5分别以侧截面图和俯视截面图描绘了便携式空调器的不同形状，

-图6示出了在连接管道上具有涂层材料的实施例的可能配置。

-图7示出了连接管道上的涂层元件的可能实施例。

-图8示出了包括去除未冷凝的水的辅助水泵送系统的实施例，

-图9示出了收集在水箱中的未蒸发的水的实施例，并且

-图10展示了空调器系统的一般原理。

具体实施方式

在使用空气源换热器的标准便携式AC中，当压缩机输送的热气体进入冷凝器时，排热过程就开始了。在冷凝器内部，高压和高温制冷剂开始其冷却过程，通过气流穿过换热器表面而释放其热负荷。

在这些条件下，冷凝器总面积的很大百分比旨在首先降低气体的整体温度，直到气体在内部减热过程中达到饱和温度。由于过热蒸气流的密度相对低，制冷剂占据的体积相对大，特别在开始相变冷凝过程之前。

这一事实使得换热器的尺寸、特别是旨在对制冷剂减热的面积和内部容积，倾向于更大来容纳热气体以降低其整体温度直至其达到饱和状态。然后，一旦制冷剂的热力学蒸气质量等于1，冷凝过程和随后的过冷过程将在其余的换热器内部容积中发生。

图10展示了空调器系统的一般原理。系统的主要部分是压缩机101、蒸发器103、冷凝器105和膨胀装置107(如毛细管)。而且，可以提供冷凝器风扇109和蒸发器风扇111。压缩机在回路中与冷凝器、蒸发器和膨胀装置连接。制冷剂具有从液体转变成蒸气并且通过这样使温度改变的能力。调温后的制冷剂和室内空气协同工作来彼此交换热量。

图1示出了标准制冷循环的T-S图，该制冷循环使用空气源换热器作为冷凝器，该冷凝器在便携式AC应用的典型温度条件下工作。图1包括表示穿过冷凝器的风流量的进风温度和出风温度的管线(蓝线)、以及在冷凝器内发生的排热子过程的标准方法：DSH、相变、过冷。

在图1所示的排热过程中，过热蒸气沿着单相减热区(DSH)排出第一显热。然后，从平衡蒸气质量1开始冷凝，其中饱和制冷剂在其冷凝期间(两相过程)排出潜热。最后，在冷凝器的最后部分，过冷液体通过单相过冷区(SC)排出显热。减热可以被描述为过热蒸汽恢复到其饱和状态或过热温度降低的过程。这个过程可以通过减热器进行。

在空冷式冷凝器中，减热部分周围的气流温度会严重影响气体减热过程。空气周围温度通常受电路设计和其他几何参数的影响，像制冷剂入口的相对位置、流程数、排数、风流量等。

然而，在便携式AC系统的特殊情况下，排风道尺寸的几何限制限制了穿过冷凝器的气流，导致通过从入口到出口穿过冷凝器的空气路径实现更大的温度梯度，因此减热部分周围的空气温度往往要高得多。

另一方面，由于流体流动装置通常以逆流式配置而固定，所以在大多数情况下，冷凝器的减热部分抵抗先前已经与第一排冷凝器交换能量的气流排出能量。这个事实也影响到围绕后排冷凝器的气流温度的升高，后排冷凝器通常位于减热器入口。

这两种效应：围绕冷凝器的减热区的空气的较大温度梯度和进气口的相对位置使得减热器区域中的管道的壁温正常情况下高于制冷剂的饱和温度，从而引起冷凝器内部长时间且低效的减热过程并且随后需要更大的传热面积来完成冷凝过程。

为了改进在空气源冷凝器中的热传递过程，特别是在便携式空调器中使用的空冷式冷凝器，可以提供外部减热器。

减热器能够实现压缩机输送的高压和高温排放气体与蒸发器表面上产生的温度相对低的冷凝水之间的热传递。

在标准冷凝过程中，不使用外部减热器，部分能量交换区域旨在降低过热气体的温度，直至气体达到饱和状态。用于执行这个过程的面积可以在冷凝器的总传热面积的10％至20％之间。在那些条件下去除的热负荷通常相对小，因为在单相交换过程中实现的传热系数低，特别是使用空气作为二次冷却介质。

这里描述的外部减热器的使用利用了通过制冷剂的更快冷凝实现的更高的传热系数，因为流体之间温差大，而且还因为二次冷却介质(水)的传热系数由于其部分蒸发(两相过程)而提高。

图2表示与图1相比改进的循环的T-S图，其使用外部减热器。外部减热器可以刚好安装在空冷式冷凝器之前。

图2表示了三种不同的排热子过程：使用冷凝水的蒸气减热、饱和冷凝和过冷、通过抵抗气流的标准排热。在图2中还表示了二次冷却介质的温度曲线：在减热情况下的冷凝水、以及在冷凝和过冷情况下的空气。

减热通过外部减热器进行，其中蒸气的冷凝膜几乎立即出现在换热器的内表面上，因为在那些条件下，减热器的壁温远低于制冷剂的饱和温度，因为换热器在相对低的温度条件下被冷凝水包围。

由于来自蒸发器的水的温度通常是离开蒸发器的空气的露点温度，因此减热器内部的排热过程由以下因素驱动：由于蒸气减温而产生的显热排出、以及产生冷凝制冷剂的潜热排出。

此外，如果管道的壁温低于制冷剂的饱和温度，则由于冷凝物的过冷，额外的显热排出也可以在减热内部的总排热过程中具有重要贡献。

在外部减热器内部，二次冷却介质(来自蒸发器的冷凝水)和制冷剂的整体温度之间的温差可能是几十度。这个温差比在标准空气源冷凝器内部典型的减热过程中观察到的温差(空气-制冷剂整体温度)高很多，其进而可能只是几度。

冷凝过程可以在制冷剂进入冷凝器之前开始的事实对于空气源冷凝器效率的提高是重要的，因为冷凝器的更大面积随后将旨在继续进行饱和冷凝过程，这比热气体与空气之间的单相减热过程具有更高的传热系数。

为了允许传热过程，减热器位于敞开空腔冷凝水池中，其中来自蒸发器的冷水可以滴落并与减热器的表面接触，从而允许气体冷凝和部分水的蒸发。

图3示出了空调器、特别是具有这种外部减热器的便携式空调器的示例性实施例。在图3中，301是压缩机，302是空气源冷凝器，303是外部减热器，304是减热器所在的并且发生传热过程的冷凝水池，305是来自低温蒸发器的冷凝水管道，306是冷凝器风扇。

在一个实施例中，减温器换热器303可以放置在敞开的水池304中，其中从蒸发器滴落的冷凝水通过管道305释放。在池中，由于两种流体之间大的温差，发生热交换过程。最终，部分冷凝水在热气体开始冷凝时蒸发。

减热器部分位于底侧在冷凝器302之后，允许来自冷凝器的气流适当带走蒸发的水分。在这些条件下，流经冷凝器的气流具有较高的温度和较低的相对湿度，因此其保留减热器中产生的蒸发水的能力也较高。

减热器的设计包括安装在敞开水池内部、带有一个或多个通道的管道式换热器。进一步地，可以调整减热器换热器303的形状，其可以根据减热器303所位于的空调单元的几何结构和空间而不同。

其他可能的变体可以包括减热器303的不同几何结构，如使用不同类型的翅片或管道内部的内部几何结构(微翅片内表面)，以增加减热器303的传热面积。

此外，根据单元的特定几何结构和系统内其他组件的相对位置，水池也可以采用不同的配置。从这个意义上说，减热器可以具有任何其他设计的矩形、圆柱形。图4和图5中提供了两种可能的选项。

在某些湿度条件下，减热器可能不能去除所有由蒸发器产生的冷凝水。为了防止在高湿度条件下水分蒸发系统的性能受限，可以对系统进行改良以在冷凝器的底部包括水箱。

在图4中，401表示压缩机，402是空气源冷凝器，403是减热器，404是冷凝水池，405是来自蒸发器的冷凝水管道，406是来自压缩机的排放管线，407是缠绕压缩机的隔音外层。

图5还示出了可能的变化，其中可以包括在极端湿度条件的情况下使用可以储存未蒸发的水的辅助水箱的可能性。

在图5中，501是压缩机，502是圆柱型冷凝器，503是减热器，504是冷凝水池，505是来自蒸发器的冷凝水管道，506是来自压缩机的排放管线，507是包裹压缩机的隔音外层，508是压缩机周围的隔音材料，509是用于回收未蒸发的水的辅助水箱，510是冷凝器风扇的底座，511是容纳所有系统部件的结构的一部分。

根据一些实施例，涂层元件可以缠绕在将减热器连接到压缩机和将减热器连接到冷凝器的管道上。

如本文所描述的设备可以被配置成允许从蒸发器滴落的冷凝水在由涂层元件覆盖的管道上释放，从而允许减热器的传热面积增加，并且通过从冷凝器流出的热空气蒸汽促进冷凝水的蒸发和去除。

图6示出了在连接管道上具有涂层材料的这种实施例的可能配置。

在图6中，601表示压缩机，602表示空气源冷凝器，603表示减热器，604表示水池，605表示来自蒸发器的冷凝水管道，606表示冷凝器风扇，607表示覆盖排放管道以及减热器与冷凝器之间的连接的涂层材料。

在图6中，冷凝器之后的气流具有相对低的湿度和高的温度，这允许来自冷凝器的气流适当带走蒸发的水分。

涂层元件的材料可以是任何天然或合成纤维，被制造成具有圆柱形状或具有缠绕在管道上的平坦网格，允许在发生水蒸发的时管道周围的水的暂时保留。

代替涂层元件，管道可以被螺旋形翅片盘绕，该翅片可以允许从蒸发器滴落冷水以及冷水通过与翅片管的热表面进行热交换而蒸发。

图7示出了连接管道上的涂层元件的可能实施例。

根据另一个实施例，可以添加水泵系统以将来自辅助水箱的未冷凝的水喷洒到冷凝器的顶部，其中允许泵送的水滴落在冷凝器表面上。在这样的实施例中，一旦制冷剂处于饱和状态，未蒸发的水可以继续冷却冷凝器表面的温度，并且同时系统可以通过穿过冷凝器的气流来泵送水。图8示出了包括用于去除未冷凝的水的辅助水泵送系统的实施例。

优选在冷凝器的内排上进行水的喷洒，以避免填充翅片之间的间隙的微水滴会阻塞空气路径，从而在气流中产生额外的压降，并且减小冷凝器风流量。

在图8中，801表示压缩机，802是冷凝器，803是减热器，804是冷凝水池，805是来自蒸发器的冷凝水管道，806是辅助水箱，807是水泵，808是从水箱到喷洒系统的水管，809是冷凝器顶部的喷水元件，810是排水系统。

根据其他实施例，可以利用来自蒸发器的冷凝水的低温来以其他方式降低循环的冷凝压力。例如，可以通过首先冷凝水释放在冷凝器上来实现该效果。然后，其余的未蒸发的水可以收集在水箱中，例如水箱位于底侧在冷凝器之后，并且可以泵送到减热器水池上。图9示出了这种实施例的示例性设计。

在图9中，901是压缩机，902是冷凝器，903是减热器，904是未蒸发的水池，905是来自蒸发器的冷凝水管道，906是辅助水箱，907是水泵，908是从水箱到减热水池的水管，909是放置在冷凝器顶部的冷凝器喷水元件，910是未蒸发的水排放。

图8所示实施例与图9所示实施例之间的区别在于热源与不同排热子过程的散热器之间的温差。建设性地，图9中提出的版本可你具有一些优点；然而从能量效率的观点来看，图8所示的实施例通常表示更节能的解决方案。

图9所示实施例的一个限制是，减热器中的传热面积通常必须略大于图8的解决方案中提出的传热面积，以便允许制冷剂的整体温度更接近在制冷剂进入冷凝器之前的热力学平衡，因为两种流体之间的温差较小。

使用本文所描述的空调器提供了一种实用的解决方案来最小化常用于便携式AC系统中、但也用于使用空气作为冷却介质的其他系统的空冷式冷凝器的尺寸。

通过提供不同热交换子过程的分区，实现了使冷凝器尺寸最小化的可能性。还提供了由压缩机输送的热气体的减热。

通过在冷凝器外部进行减热过程，通常旨在用于这个过程的面积和内部容积可以重新分配以完成空冷式冷凝器内部的相变过程(冷凝)和过冷。

由于2相变化和过冷过程具有较大的传热系数，因此对于给定能力，在冷凝器排热过程中所需的总面积将更小。

进而，对于给定尺寸的冷凝器，减热器可以有利于循环中更大的焓差，在标准系统中提供更高的冷却能力，而不会显着影响压缩机的功率消耗，并因此也提高了制冷循环循环效率。

另一方面，减热器的设计允许有效去除在冷却过程中产生的不希望的冷凝水；同时空调器利用通过水的蒸发获得的更高的传热系数。

本文中描述的技术的优点在于便携式AC单元中的排热过程可以在制冷剂进入冷凝器之前开始，允许标准空冷式冷凝器的尺寸最小化或给定冷凝器尺寸的冷却能力的增大。

使用本文中所描述的方法和装置可以利用两个流体之间的较大温差，从而允许减热器紧凑且高效的设计，这进而允许更有效的冷凝过程。这种效果是通过增加用于进行冷凝的2相过程的传热面积来实现的，这提供了更好的传热系数，并且这正常情况下旨在用于传统方法中的减热的单相过程。

本文中所描述的技术可以进一步改进用于去除在AC系统(特别是在便携式单元中)的正常冷却过程中产生的不希望的冷凝水的常规方法。

根据一些实施例，有机构在冷凝器排之间喷溅冷凝水。通过这种方法，未蒸发的水被粉碎成微水滴并雾化在冷凝器表面上，迫使其通过穿过冷凝器的气流而被除去，而不是蒸发。

喷溅水的缺点可能是移动到气流中的微水滴最终可能在排风道上再次凝聚或凝结，滴落到风道系统内部并且对使用者造成漏水问题。

此外，对于通过使用本文所描述的技术获得的热力学循环的改进，通过减小冷凝器的制冷剂回路内部的压降而提供额外的益处，特别是对于像小型管或微通道那样具有小水力直径的那些几何结构。较低的压降引起更低的功耗和更高效的系统。

本文中所描述的技术的另一个优点是可以在不影响冷凝压力的情况下增加制冷剂充注量，以增大冷凝器中而且也在蒸发器中的制冷剂焓差，这最终将允许提高系统的冷却能力。

通过在外部减热器中开始冷凝过程，还可以减小压缩机表面的热损失，提高其可靠性而不影响其机械性能。

针对减热器提出的设计具有额外的优点：防止/减少由于压缩机马达产生的变化的扭矩而导致的切向振动引起的共振。

因此，根据上述内容，提供了有助于以更高效的方式降低循环的冷凝温度的传统方法的替代方法。这是通过使用从蒸发器滴落的冷凝水的排热过程的高效分区实现的。

因此，通过安装在压缩机与冷凝器之间的外部减热器进行更高效的能量交换过程。这种方法利用了由压缩机输送的热排放气体与从蒸发器表面滴落的冷凝冷水之间的较大温差。

Claims (5)

1.一种包括压缩机(301)和冷凝器(302)的空调器，该空调器的特征在于在从该压缩机到该冷凝器的流路上设有减热器(303)。

2.根据权利要求1所述的空调器，其中，该空调器是便携式空调器。

3.根据权利要求1或2所述的空调器，其中，该减热器位于敞开空腔(304)中。

4.根据权利要求3所述的空调器，其中，该空调器适于将冷凝水供给到该敞开空腔。

5.根据权利要求4所述的空调器，该空调器进一步包括适于将从该蒸发器滴落的冷凝水引导到该敞开空腔的管道(305)。