CN110789290B - 车用热泵系统的空调箱及其通风策略 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种车用热泵系统的空调箱及其通风策略，从而降低了制冷与制热时的风阻差异，提高了出风口温度的线性度，在保证各工况出风温度需求的同时，降低了热损失、消除了各换热芯体之间的影响。本发明包括车外换热器、车内冷凝器、车内蒸发器、制热件、进风箱和出风部，所述出风部设有混风区和出风口，还包括用于连通所述进风箱和所述出风部的送风通道，所述送风通道包括第一通道、第二通道以及将两者与所述出风部连通的第三通道，所述第一通道和所述第二通道并联设置且均与所述进风箱连通，所述车内蒸发器设于所述第一通道内；所述第三通道包括并联设置的至少三个分通道，所述车内冷凝器和所述制热件分别设于其中两个所述分通道内。

Description

车用热泵系统的空调箱及其通风策略

技术领域

本发明涉及汽车空调技术领域，特别是涉及一种车用热泵系统的空调箱及其通风策略。

背景技术

传统的热泵空调箱，暖风芯体(或PTC，Positive Temperature Coefficient，正温度系数很大的半导体材料或元器件)与车内冷凝器以“串联”的形式布置在一个风道内，当处于制热模式时，该风道的风阻包含车内冷凝器、暖风芯体(或PTC)和蒸发器的风阻；当处于制冷模式时，风道的风阻仅包含蒸发器的风阻，也就是说，该风道处于制热模式和处于制冷模式时的风阻差异较大。这种风阻的差异导致空调箱出风口很难通过温度风门控制实现温度的线性调节，即空调箱出风口温度的线性很难保证，往往出现温度风门往复调整震荡。其次，在热泵空调系统的车外换热器进行化霜时，需要关闭车内冷凝器所处的风道，导致空调箱不能提供暖风。再者，暖风芯体(或PTC)和车内冷凝器布置在单通道内将导致其中任一者工作时，另一者的工质同时被加热，从而导致无效的热损失，还会降低升温速率。

因此，如何设置一种车用热泵系统的空调箱，同时提供一种适用于该空调箱的通风策略，以提高出风口温度的线性度，兼顾车外换热器化霜时车内的供暖需求，提高制热模式下的升温效率，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种车用热泵系统的空调箱及其通风策略，将车内冷凝器和暖风芯体分别布置在两个相对独立的风道内，从而降低了制冷与制热时的风阻差异，提高了出风口温度的线性度，在保证各工况出风温度需求的同时，降低了热损失、消除了各换热芯体之间的影响，可满足车外换热器化霜时客舱内的制热需求。

为实现上述目的，本发明提供了一种车用热泵系统的空调箱，包括车外换热器、车内冷凝器、车内蒸发器、制热件、进风箱和出风部，所述出风部设有混风区和出风口，还包括用于连通所述进风箱和所述出风部的送风通道，所述送风通道包括第一通道、第二通道以及将两者与所述出风部连通的第三通道，所述第一通道和所述第二通道并联设置且均与所述进风箱连通，所述车内蒸发器设于所述第一通道内；所述第三通道包括并联设置的至少三个分通道，所述车内冷凝器和所述制热件分别设于其中两个所述分通道内。

本发明的空调箱中，送风通道包括并联设置的第一通道和第二通道，两者均与进风箱连通，形成进风通道，由于车内蒸发器设于第一通道内，第二通道内不设置换热部件，故第二通道的风阻较小，当车内蒸发器不工作时，可以通过开启第二通道降低风阻；并且，当需要进行除雾时，也可以开启第二通道，使得进风仅部分通过第一通道内的车内蒸发器进行冷却除湿，另一部分通过第二通道直接向后流动，这两部分混合后再经过车内冷凝器升温，此时，不仅可以通过车内蒸发器的冷却除湿实现除雾目的，还由于部分进风未经过车内蒸发器冷却而降低了车内冷凝器的负荷，起到节约能源的目的。

与此同时，送风通道还包括与出风部连通的第三通道，该第三通道包括并联设置的至少三个分通道，各分通道均与出风部连通，形成出风通道，车内冷凝器和制热件分别设于其中两个分通道内，其他分通道内不设置换热件。由于车内冷凝器和制热件分别设置在两个相对独立的分通道内，当需要对车外换热器进行化霜时，可以关闭车内冷凝器所处的分通道，以确保车外换热器进入化霜模式，并且，进风箱内的进风可以通过制热件进行加热，形成热风送入客舱内，满足车外换热器化霜时客舱内的制热需求；而且，当仅需要采用车内冷凝器和制热件中的一者进行制热时，这种并联设置的结构形式可以避免另一者被动加热而导致的热量损失，消除了车内冷凝器和制热件之间的相互影响。

再者，车内冷凝器和制热件分别处于两个分通道时，可以降低两者所述的分通道与其他分通道之间的风阻差异，由于车用热泵系统处于制冷模式时通过其他分通道进入出风部，制热模式时必然要通过车内冷凝器和/或制热件所处的分通道进入出风部，当各分通道的风阻差异降低时，相当于降低了制热和制冷时的风阻差异。加之，在制热时，可以开启第二通道，以降低风阻，从而进一步降低制冷与制热的风阻差异，提高温度调节的线性度。

可选地，所述第一通道处于常开状态。

可选地，还包括用于控制所述第二通道通断的第一控制件。

可选地，还包括用于控制所述第三通道通断的第二控制件。

可选地，所述第二控制件包括与各所述分通道一一对应地设置的风门，或者，所述第二控制件为可同时控制三个以上通道的移门或碗门，以同时实现各所述分通道的通断。

可选地，所述第一通道的截面积大于所述第二通道的截面积；设有所述制热件的所述分通道和设有所述车内冷凝器的所述分通道的截面积均大于其他所述分通道的截面积。

本发明还提供了一种车用热泵系统的通风策略，采用上述任一项所述的空调箱，包括以下步骤：

预置化霜制热通风模式：关闭所述车内蒸发器，开启所述制热件的热源，打开所述第二通道和所述制热件所处的所述分通道，关闭其他所述分通道，以保证所述车外换热器进入化霜模式。

现有技术中，当需要对车外换热器进行化霜时，需要关闭车内冷凝器所处的风道，而现有技术中将制热件和车内冷凝器置于同一风道内，也就导致化霜时无法为客舱提供热风。本发明的通风策略，将车内冷凝器和制热件分别设置在两个相对独立的分通道内，进行化霜时，可以关闭车内冷凝器所处的分通道，以确保车外换热器进入化霜模式，同时打开制热件所处的分通道并开启制热件的热源，通过制热件进行制热，为客舱提供热风，满足化霜的同时兼顾制热需求。此外，还开启第二通道，以降低风阻，并关闭其他分通道，以提高制热件对进风进行加热的升温速度，提高制热效率。

可选地，还预置有超低温通风模式，采用与所述化霜制热通风模式相同的控制策略。

可选地，还预置有全热通风模式：关闭所述车内蒸发器，开启所述车内冷凝器，打开所述第二通道和所述车内冷凝器所处的所述分通道，关闭其他所述分通道。

可选地，还预置有低温全热通风模式：关闭所述车内蒸发器，开启所述车内冷凝器和所述制热件的热源，打开所述第二通道、所述车内冷凝器所处的所述分通道以及所述制热件所处的所述分通道，关闭其他所述分通道。

可选地，还预置有除雾通风模式：开启所述车内蒸发器和所述车内冷凝器，打开所述第二通道和所述车内冷凝器所处的所述分通道，关闭其他所述分通道。

可选地，还预置有混合通风模式：

设定目标出风温度；

根据所述进风箱的进风温度和所述目标出风温度进行热负荷计算和标定；

根据标定的所述热负荷控制所述第二通道和各所述分通道的开启程度，以便在所述混风区形成满足所述目标出风温度的出风。

可选地，还预置有全冷通风模式：

开启所述车内蒸发器，关闭所述第二通道、所述车内冷凝器和所述制热件所处的所述分通道，打开其他所述分通道中的至少一者。

附图说明

图1为本发明所提供车用热泵系统的空调箱在一种具体实施方式中的结构示意图；

图2为图1所示车用热泵系统的空调箱采用全冷通风模式的结构示意图；

图3为图1所示车用热泵系统的空调箱采用全热通风模式的结构示意图；

图4为图1所示车用热泵系统的空调箱采用低温全热通风模式的结构示意图；

图5为图1所示车用热泵系统的空调箱采用超低温通风模式和化霜制热通风模式的结构示意图；

图6为图1所示车用热泵系统的空调箱采用混合通风模式的结构示意图。

图1-图6中：

车内冷凝器1、车内蒸发器2、制热件3、进风箱4、出风部5、第一通道6、第二通道7、第三通道8、第一分通道81、第二分通道 82、第三分通道83、第一控制件9、第二控制件10。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式进行介绍，以便本领域技术人员准确理解本发明的技术方案。

本文所述的第一、第二等词仅用于区分结构相同或类似的两个以上部件，或者相同或类似的两个以上的结构，不表示对顺序的特殊限定。

如图1所示，本发明提供了一种车用热泵系统的空调箱，包括车外换热器、车内冷凝器1、车外蒸发器、制热件3、进风箱4、出风部 5和送风通道，出风部5设有混风区和出风口，送风通道用于连通进风箱4和出风部5，该送风通道包括第一通道6、第二通道7和第三通道8，第一通道6和第二通道7并联设置，且两者均与进风箱4连通，并通过第三通道8与出风部5连通，具体与出风部5的混风区和出风口连通。第三通道8包括并联设置的至少三个分通道，车内冷凝器1 和制热件3分别设于其中两个分通道内，第二通道7以及其他分通道内均不设置换热件，风阻较小。

采用本发明的空调箱，在车外换热器结霜后需要化霜时，关闭车内冷凝器1所处的分通道，从而将制热模式切换为制冷模式，车外换热器由蒸发器转变为冷凝器，由压缩机出来的高温气态制冷剂在车内蒸发器2的作用下转变为低温低压气体，然后进入车外换热器中冷凝为液态，在冷凝过程中释放热量，以实现车外换热器的化霜。

由此可见，由于化霜时车外换热器转变为冷凝器，无法与车内冷凝器1配合使用，故化霜时的车内冷凝器1处于非工作状态，也就无法为汽车的客舱提供热风。

为解决该技术问题，本发明设有制热件3，该制热件3可以为电加热件，具体可以为具有热源的暖风芯体或PTC(Positive Temperature Coefficient，正温度系数很大的半导体材料或元器件)，并将该制热件 3与车内冷凝器1分别设于两个相对独立的分通道内，当需要对车外换热器化霜时，将车内冷凝器1所处的分通道关闭，打开制热件3所处的分通道并开启制热件3的热源，以通过制热件3进行制热，为客舱提供热风，满足客舱的制热需求。

尤其是，现有技术中，将制热件3和车内冷凝器1串联设置在同一个风道内，且并联设有一个不设置换热件的风道，这两个风道均通过风门进行控制；当空调箱处于制冷模式时，出风通过不设置换热件的风道送至出风部5，当空调处于制热模式时，出风通过设有制热件3 和车内冷凝器1的风道送至出风部5，即制冷模式和制热模式的风阻差异较大。本领域技术人员应该知晓，风门是分级动作的，并不是无级调节，在制热件3和车内冷凝器1均设于一个风道内时，该风道的风阻要远大于不设置换热件的另一个风道。如此，在由制冷模式向制热模式切换的前期，虽然不设置换热件的风道在逐渐关闭，设有制热件3和车内冷凝器1的风道在逐渐开启，仍有大部分的风经由不设置换热件的风道进入出风部5，而仅有很小一部分风会经由制热件3和/ 或车内冷凝器1加热，导致出风的温升缓慢；而在切换的后期，风会突然大量的进入制热件3和车内冷凝器1所处的风道，使得出风的温度急剧上升，导致出风温度无法实现线性调节。

针对该技术问题，本发明将制热件3和车内冷凝器1分别设于两个相对独立的分通道内，从而降低了各分通道的风阻，也就缩小了制热模式和制冷模式的风阻差异，提高了出风温度调节的线性度。同时，本发明在进风侧并联设有两个风道，第一通道6内设有车内蒸发器2，第二通道7内不设置换热件，当处于制冷模式时，仅使得第一通道6 处于连通状态，在制热模式时才开启第二通道7，以旁通部分进气，降低制热模式的进风阻力，以进一步缩小制冷模式与制热模式的风阻差异。

本发明中，第一通道6处于常开状态，可以不设置控制第一通道 6通断的部件，以简化结构。

并且，由于第一通道6内设有车内蒸发器2，风阻要大于第二通道7，可以设置第一通道6的截面积大于第二通道7的截面积，以使得进风在第一通道6和第二通道7的分配更加均衡，提高进风的稳定性。

同理，第三通道8的各分通道内，由于设有车内冷凝器1和制热件3的分通道内的风阻相对较大，设有制热件3的分通道和设有车内冷凝器1的分通道的截面积均大于其他分通道的截面积，以缩小各分通道的风阻差异，同时更好地满足车内冷凝器1和制热件3的安装需求。

为更好地控制各风道(本文中的第一通道6、第二通道7以及各分通道均构成风道)的通断，本发明还设有控制件，例如，可以设有用于控制第二通道7通断的第一控制件9，用于控制第三通道8通断的第二控制件10。

其中，第一控制件9可以为风门，第二控制件10可以包括与各分通道一一对应地设置的风门，以通过风门实现单个风道的通断控制。或者，第二控制件10可以为同时控制三个以上通道的移门或者碗门，能够同时实现各分通道的通断。移门是指通过移动实现开关控制的控制件，碗门是指大致呈碗状的门。此时，通过一个移门或者碗门就可以实现各分通道的同步控制，结构简单，操作更为便捷。

本实施例以设置三个分通道为例进行说明，在第三通道8的各分通道内，定义车内冷凝器1所处的分通道为第一分通道81，制热件3 所处的分通道为第二分通道82，不设置换热件的分通道为第三分通道 83。

本发明还提供了一种基于上述空调箱的通风策略，以下结合图2-图6，对该通风策略进行具体说明。

如图2所示，该通风策略预置有全冷通风模式，在该模式下，开启车内蒸发器2，关闭第二通道7、第一分通道81和第二分通道82，打开第三分通道83，进风箱4的进风通过第一通道6内的车内蒸发器 2降温后，经由第三分通道83到达出风部5的混风区和出风口，由出风口送入客舱内进行制冷。在该模式下，制热件3不发热，但仍避免由进风箱4进入的冷风通过制热件3，从而避免冷风因降低制热件3 本身的温度而增加热损失，节约能源。

如图3所示，本发明的通风策略还预置有全热通风模式，在该模式下，关闭车内蒸发器2，开启车内冷凝器1，打开第二通道7和第一分通道81，关闭第二分通道82和第三分通道83，进风箱4的进风通过第一通道6和第二通道7进入，然后通过第一分通道81内的车内冷凝器1进行加热，再前往出风部5的混风区和出风口，经由出风口送入客舱进行制热。在此模式下，打开第二通道7，以降低制热通风时的风阻；尤其是，由于车内冷凝器1和制热件3不处于同一通道内，被车内冷凝器1加热的风无需通过制热件3，由于此时的制热件3无热量来源，就可以避免车内冷凝器1加热后的风因加热制热件3内的冷水而做无用功，从而减少了热损失，提高了能源利用率。

如图4所示，本发明的通风策略还预置有低温全热通风模式，在该模式下，关闭车内蒸发器2，开启车内冷凝器1和制热件3的热源，打开第二通道7、第一分通道81和第二分通道82，关闭第三分通道 83。进风箱4的进风通过第一通道6和第二通道7后，分别通过第一分通道81和第二分通道82，被车内冷凝器1和有热源的制热件3加热，然后通往出风部5的混风区和出风口，此时，可以通过控制第一分通道81和第二分通道82的风门开度控制流经第一分通道81和第二分通道82的风量比，进而调节车内冷凝器1和制热件3的功耗。该模式是在环境温度较低、仅车内冷凝器1无法满足客舱的制热需求时使用，以通过制热件3的热源补热。

如图5所示，本发明的通风策略还预置有化霜制热通风模式：关闭车内蒸发器2，开启制热件3的热源，打开第二通道7和第二分通道82，关闭第一分通道81和第三分通道83，以保证车外换热器进入化霜模式。如上所述，如果需要对热泵系统前端的车外换热器进行化霜，就需要将该车外换热器由蒸发器转化为冷凝器，而如果车内冷凝器1处于工作状态，车外换热器必然要“扮演”蒸发器的“角色”；因此，需要关闭车内冷凝器1及其所处的第一分通道81，使得车内蒸发器2处于工作状态，以使得车外换热器顺利地切换至冷凝器的模式，通过冷凝放热而化霜，保证热泵系统进入化霜模式。此时，可以使用第二分通道82内有热源的制热件3进行制热，为客舱提供热风，满足客舱的制热需求。

再者，本发明还提供了一种超低温通风模式，在该模式下采用与化霜制热通风模式相同的控制策略。具体而言，超低温是指环境温度极低时热泵系统处于无法运行的状态，此时的车内冷凝器1不能工作，也就无法提供热量，可以通过制热件3进行制热。

如图6所示，本发明的通风策略还预置有混合通风模式：

设定目标出风温度；

根据进风箱4的进风温度和目标出风温度进行热负荷计算和标定；

根据标定的热负荷控制第二通道7和各分通道的开启程度，以便在混风区形成满足目标出风温度的出风。

具体而言，当第一控制件9和第二控制件10均为风门时，可以通过控制风门开度以控制第二通道7以及各分通道的启闭程度，最终使得第一分通道81、第二分通道82和第三分通道83的风量流至混风区后混合至目标出风温度，再经由出风口送出。其中，第一分通道81、第二分通道82和第三分通道83中的至少一者处于打开状态，其他两者可以根据标定结果单独关闭或者均关闭；第二通道7根据标定结果选择不同的风门角度或者完全关闭。根据上述风门的组合，可以减少进风过冷后再加热到目标出风温度引起的能源浪费，在节能的同时减小制冷与制热时各通道的风阻差异，有利于提高温度调节的线性度。

此外，本发明的通风策略还预置有除雾通风模式：开启车内蒸发器2和车内冷凝器1，打开第二通道7和车内冷凝器1所处的第一分通道81，关闭其他分通道，即关闭第二分通道82和第三分通道83。在该模式下，进风箱4的进风，一部分通过第一通道6内的蒸发器冷却除湿，另一部分直接通过第二通道7进入，冷却除湿后的风与通过第二通道7进入的风混合后，再经过第一分通道81加热至目标出风温度，由出风口送出。该模式可以参照图4，与图4所示的低温全热通风模式不同的是，该模式下车内蒸发器2处于开启状态，而低温全热通风模式下，车内蒸发器2处于关闭状态，第一通道仅作为进风通道使用，并不使用该通道内的车内蒸发器2对进风进行冷却。在该模式下，由于仅有部分进风通过车内蒸发器2进行冷却除湿，相对于全部进风都进行冷却，本发明的除雾通风模式防止了因除雾导致的进风过冷，不会为了除雾而导致进风过冷后再加热至目标出风温度，达到了节约能源的目的。

可以理解，本领域技术人员可以根据实际需要选择不同的通风模式：当环境温度较高，空调箱最大功率进行制冷时，实行全冷通风模式，即进风箱4进风仅通过第一通道6的蒸发器冷却后，从第三分通道83直接至出风口；当环境温度较低、且车内冷凝器1的功率能满足制热需求是，实行全热通风模式；当环境温度更低时，车内冷凝器1 功率不能满足制热需求，实行低温全热通风模式，通过制热件3(暖风芯体或PTC)进行补热；当温度极低时，热泵系统不能运行，车内冷凝器1无热源，实行超低温通风模式；当热泵系统需对车外换热器进行化霜时，即车内冷凝器1所处的第一分通道81关闭，实行超低温通风模式，保证制热需求；当环境温度及目标出风温度均非极限温度时，运行混合通风模式，根据进风温度及目标出风温度计算热负荷，标定各通道的风量比例；当整车玻璃起雾时，实行较现有空调箱节能的除雾通风模式。

以上对本发明所提供车用热泵系统的空调箱及其通风策略进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (12)

1.一种车用热泵系统的空调箱，包括车外换热器、车内冷凝器(1)、车内蒸发器(2)、制热件(3)、进风箱(4)和出风部(5)，所述出风部(5)设有混风区和出风口，其特征在于，还包括用于连通所述进风箱(4)和所述出风部(5)的送风通道，所述送风通道包括第一通道(6)、第二通道(7)以及将两者与所述出风部(5)连通的第三通道(8)，所述第一通道(6)和所述第二通道(7)并联设置且均与所述进风箱(4)连通，所述车内蒸发器(2)设于所述第一通道(6)内；所述第三通道(8)包括并联设置的至少三个分通道，所述车内冷凝器(1)和所述制热件(3)分别设于其中两个所述分通道内；

所述第一通道(6)的截面积大于所述第二通道(7)的截面积；设有所述制热件(3)的所述分通道和设有所述车内冷凝器(1)的所述分通道的截面积均大于其他所述分通道的截面积。

2.如权利要求1所述的车用热泵系统的空调箱，其特征在于，所述第一通道(6)处于常开状态。

3.如权利要求1或2所述的车用热泵系统的空调箱，其特征在于，还包括用于控制所述第二通道(7)通断的第一控制件(9)。

4.如权利要求3所述的车用热泵系统的空调箱，其特征在于，还包括用于控制所述第三通道(8)通断的第二控制件(10)。

5.如权利要求4所述的车用热泵系统的空调箱，其特征在于，所述第二控制件(10)包括与各所述分通道一一对应地设置的风门，或者，所述第二控制件(10)为可同时控制三个以上通道的移门或碗门，以同时实现各所述分通道的通断。

6.一种车用热泵系统的通风策略，其特征在于，采用上述权利要求3-5任一项所述的空调箱，包括以下步骤：

预置化霜制热通风模式：关闭所述车内蒸发器(2)，开启所述制热件(3)的热源，打开所述第二通道(7)和所述制热件(3)所处的所述分通道，关闭其他所述分通道，以保证所述车外换热器进入化霜模式。

7.如权利要求6所述的车用热泵系统的通风策略，其特征在于，还预置有超低温通风模式，采用与所述化霜制热通风模式相同的控制策略。

8.如权利要求6所述的车用热泵系统的通风策略，其特征在于，还预置有全热通风模式：关闭所述车内蒸发器(2)，开启所述车内冷凝器(1)，打开所述第二通道(7)和所述车内冷凝器(1)所处的所述分通道，关闭其他所述分通道。

9.如权利要求6所述的车用热泵系统的通风策略，其特征在于，还预置有低温全热通风模式：关闭所述车内蒸发器(2)，开启所述车内冷凝器(1)和所述制热件(3)的热源，打开所述第二通道(7)、所述车内冷凝器(1)所处的所述分通道以及所述制热件(3)所处的所述分通道，关闭其他所述分通道。

10.如权利要求6所述的车用热泵系统的通风策略，其特征在于，还预置有除雾通风模式：开启所述车内蒸发器(2)和所述车内冷凝器(1)，打开所述第二通道(7)和所述车内冷凝器(1)所处的所述分通道，关闭其他所述分通道。

11.如权利要求6所述的车用热泵系统的通风策略，其特征在于，还预置有混合通风模式：

设定目标出风温度；

根据所述进风箱(4)的进风温度和所述目标出风温度进行热负荷计算和标定；

根据标定的所述热负荷控制所述第二通道(7)和各所述分通道的开启程度，以便在所述混风区形成满足所述目标出风温度的出风。

12.如权利要求6所述的车用热泵系统的通风策略，其特征在于，还预置有全冷通风模式：

开启所述车内蒸发器(2)，关闭所述第二通道(7)、所述车内冷凝器(1)和所述制热件(3)所处的所述分通道，打开其他所述分通道中的至少一者。

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