CN112277988A - 轨道车辆空调机组及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道车辆空调机组，包括空调箱体以及设置在所述空调箱体内的制冷剂回路系统，其特征在于：在所述空调箱体内设有室外腔、第一室内腔和第二室内腔；所述室外腔设置于所述空调箱体的中部，所述第一室内腔和所述第二室内腔分别设置于所述室外腔的两侧，在所述室外腔内设有室外风机；在所述第一室内腔和第二室内腔内均设有室内风机；所述制冷剂回路系统中的制冷剂为二氧化碳。此外，本发明还提供了一种轨道车辆空调机组的控制方法。本发明采用二氧化碳为制冷剂，环境友好，符合环保要求；制冷系统压力保护安全措施，确保系统在运行或静置状态均能控制系统内压力在设计压力以下，确保安全。

Description

轨道车辆空调机组及控制方法

技术领域

本发明属于轨道车辆空调系统技术领域，具体涉及一种轨道车辆空调机组。

背景技术

针对目前广泛应用的CFCs和HCFCs制冷剂排放导致的臭氧层消耗和温室效应，相关禁限用的法律法规已开始实施；基于蒙特利尔协议框架下的基加利补充协议规定从2019年开始局部降低HFC制冷剂的使用，寻找并使用高效、绿色环保制冷剂来替代高GWP制冷剂势在必行；因此研制具有安全、环保、低能耗的轨道二氧化碳空调，突破轨道空调采用二氧化碳作为制冷剂的设计、制造、试验及安全监控等关键技术问题，满足轨道交通车辆空气调节需求，实现轨道交通装备空调环保新技术突破，实现轨道交通空调新的技术优势具有重大意义。二氧化碳作为自然工质，温室气体效应极低（GWP＝1），不破坏臭氧层（ODP＝0），并且具有无毒、不可燃、具有良好传热性能、较低流体阻力以及相当大的单位制冷量等优点；与传统制冷剂不同，由于二氧化碳临界温度较低（31.1℃），系统循环为跨临界循环，二氧化碳在超临界区，压力和温度是两个独立的变量，且同时决定着二氧化碳流体的焓值，在蒸发温度和气体冷却器出口温度保持不变的情况下，改变高压压力分别对制冷量和压缩功产生影响，系统运行存在最优高压压力，在此压力下系统效率最高。因此二氧化碳控制制冷循环特性区别于传统空调冷媒的亚临界循环，传统冷媒空调采用系统过热度控制方式不适用二氧化碳空调的系统控制。

采用二氧化碳作为制冷剂的空调系统压力较高，高压侧处在超临界区域，压力值在8～11MPa，是现用制冷剂的4～5倍，高压力对系统部件和系统安全性提出新的挑战；如超高温运行或系统发生堵塞或部件故障等问题发生时，制冷系统有超压爆破危险。如何设计空调机组的结构，确保空调机组安全运行，避免发生爆破危险，是需要重点考虑的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种轨道车辆空调机组，通过控制主电磁阀、支电磁阀和三通分液器等部件进行分液控制，根据具体工况的需求，控制制冷系统两端供液或单端供液，实现分液均匀性，同时通过压力传感器、温度传感器实时采集系统高压和低压，气冷器出口温度、压缩机吸气温度、环境温度等参数，控制压缩机和室外风机的运行数量和运行频率，同时相应控制电子膨胀阀的开度，实现空调制冷能力调节、最高效率及安全运行控制。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种轨道车辆空调机组，包括空调箱体以及设置在所述空调箱体内的制冷剂回路系统，其特征在于：在所述空调箱体内设有室外腔、第一室内腔和第二室内腔；所述室外腔设置于所述空调箱体的中部，所述第一室内腔和所述第二室内腔分别设置于所述室外腔的两侧，

所述制冷剂回路系统包括设置在所述室外腔内的压缩机和室外热交换器、设置在所述第一室内腔内的第一室内热交换器、第一回热器和第一电子膨胀阀、设置在所述第二室内腔内的第二室内热交换器、第二回热器和第二电子膨胀阀以及配套的管路；

所述室外热交换器的出口借助分液三通以及配套的管路分别与所述第一回热器的入口和所述第二回热器的入口相连，在连接所述室外热交换器的出口和所述分液三通间的管路上设有主电磁阀，在连接所述分液三通和所述第二回热器的入口的管路上设有支电磁阀，所述第一回热器的出口和所述第二回热器的出口借助三通及配套的管路与所述压缩机的进口相连，在连接三通和所述压缩机进口的管路上设有气液分离器；

在所述室外腔内设有室外风机；在所述第一室内腔和第二室内腔内均设有室内风机；所述制冷剂回路系统中的制冷剂为二氧化碳。

基于上述的空调机组，本发明还提供了一种轨道车辆空调机组的控制方法，包括以下步骤：

步骤A、计算车辆热负荷需求；

步骤B、根据车辆热负荷需求，计算并控制运行相应台数的压缩机及压缩机运行频率；

步骤C、根据环境温度、压缩机频率，系统过热度计算并控制电子膨胀阀的开度；

步骤D、根据室外热交换器的出口温度和系统高压压力控制室外风机运行的数量或频率：当室外热交换器的出口温度低于预设控制温度时，室外风机降频或减少运行数量，否则升频或增加运行数量；当系统高压压力高于预设控制压力时，室外风机升频运行；

步骤E、根据环境温度、压缩机运行频率控制支电磁阀的开关。

本发明的有益效果是：1、采用天然环保制冷剂R744（二氧化碳），环境友好，符合环保要求；2、压缩机采用卧式变频压缩机，满足跨临界制冷循环设计需求，重量轻，体积小，可实现变容量控制；3、通过设计必要的管路电磁阀（主电磁阀和支电磁阀）、三通分液器实现空调装置两端送冷风，通过三通分液器及管路结构设计实现分液均匀性；通过控制支电磁阀的开关实现特殊工况或压缩机低频运行时单侧供液功能；4、通过对压力、温度等参数的实时检测，对制冷系统实施跨临界循环控制，提高系统效率，降低能耗；5、通过变频器控制，实现直流电源给交流电机直接供电进行油温加热控制功能；6、设计内部热交换器应用，提高系统COP，节能显著；7、制冷系统压力保护安全措施，确保系统在运行或静置状态均能控制系统内压力在设计压力以下，确保安全：系统运行时，通过压力传感器检测压力，软件控制；当压力异常过高或过低时，压力开关动作，系统采取压缩机降频或冷却风机升频或停机措施；8、节流装置采用电子膨胀阀，电子膨胀阀开度根据系统过热度、环境温度、压缩机频率等进行控制；9、管路电磁阀：系统设置主电磁阀和支电磁阀。停机时电磁阀关闭，避免大量制冷剂进入低压区，避免长期停机后，压缩机在低环境温度下带液启动导致损坏的风险；根据过热度、环境温度、压缩机频率等控制支电磁阀开关，实现空调安全运行及与车辆热负荷匹配控制，满足车辆室内舒适性控制需求；10、换热器采用小管径设计，符合相关标准对承压能力的要求；11、当制冷剂泄漏，检测到室内腔二氧化碳浓度达到设定阈值，压缩机、室内风机、废排风机（如果有）停止运行，单向旁通阀门打开，室外风机运行，将室内腔含高浓度二氧化碳的空气排出到室外大气中。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明轨道车辆空调机组的结构示意图；

图2是本发明轨道车辆空调机组中分液三通的结构示意图。

在附图中：

10是室外腔，11是压缩机，12是室外热交换器，13是室外风机，14是支电磁阀，15是主电磁阀，16是气液分离器，17是分液三通，

20是第一室内腔，21是第一室内热交换器，22是第一回热器，23是第一电子膨胀阀，

30是第二室内腔，31是第二室内热交换器，32是第二回热器，33是第二电子膨胀阀，

41是室内风机，42是单向旁通阀，43是二氧化碳浓度传感器。

具体实施方式

参见附图1，本发明提供了一种轨道车辆空调机组，包括空调箱体以及设置在空调箱体内的制冷剂回路系统，在空调箱体内设有室外腔10、第一室内腔20和第二室内腔30；室外腔10设置于空调箱体的中部，第一室内腔20和第二室内腔30分别设置于室外腔10的两侧。

制冷剂回路系统中的制冷剂为二氧化碳，系统包括设置在室外腔10内的压缩机11和室外热交换器12、设置在第一室内腔20内的第一室内热交换器21、第一回热器22和第一电子膨胀阀23、设置在第二室内腔30内的第二室内热交换器31、第二回热器32和第二电子膨胀阀33以及配套的管路。

在管路上设计有压力传感器、压力开关、安全泄放装置、温度传感器等部件，以实时采集制冷系统高压和低压、气冷器出口温度、压缩机吸气温度、环境温度等参数，控制压缩机和室外风机的运行数量和运行频率，同时控制相应电子膨胀阀的开度，实现空调制冷能力调节、最高效率及安全运行控制。

室外热交换器12的出口借助分液三通17以及配套的管路分别与所述第一回热器22的入口和所述第二回热器32的入口相连。在连接室外热交换器12的出口和分液三通17间的管路上设有主电磁阀15，在连接分液三通17和第二回热器32的入口的管路上设有支电磁阀14，第一回热器22和第二回热器32的出口借助三通及配套的管路与压缩机11的进口相连，在连接三通和压缩机11进口的管路上设有气液分离器16。在室外腔10内设有室外风机13；在第一室内腔20和第二室内腔30内均设有室内风机41。空调机组采用的制冷剂为二氧化碳。通过设计分液三通17，使得室外腔10内与第一室内腔20内的制冷系统部件及管路、室外腔10内与第二室内腔30内的制冷系统部件及管路分别形成第一制冷剂回路和第二制冷剂回路，其中主电磁阀15通电打开后，第一制冷剂回路处于打开状态，支电磁阀14通电打开后，第二制冷剂回路处于打开状态。

参见附图2，分液三通17采用不锈钢材质，设计承压不小于3倍设计压力。其进出口管径与对应管路匹配，关键在于两个出液口的间距。两个出液口间距为最小材质厚度按单管承压计算厚度的两倍。

在空调机组允许的制冷运行环境下（与具体空调设计相关，如20℃~45℃），当制冷负荷需求较小时，压缩机11降频运行，根据环境温度、压缩机频率及过热度等参数判断，控制支路电磁阀14的开关；当支电磁阀14关闭时，第一制冷剂回路中的制冷剂始终处于循环状态，从第一室内腔20中的回风口进入的空气经第一室内热交换器21换热后在室内风机41的作用下经送风口进入车厢实现空气调节。当制冷负荷需求增大时，压缩机11升频运行，根据环境温度、压缩机频率及过热度等参数判断，当支电磁阀14打开时，制冷剂在两个制冷回路中进行循环状态。

在压缩机11较低频率运行时，系统制冷剂循环量小，管路流速较低，不利于换热和润滑油回到压缩机11，此情况下关闭支电磁阀14，管路内制冷剂流速升高，换热效果加强，同时利于压缩机回油。

压缩机11优选卧式变频压缩机，满足二氧化碳制冷系统跨临界循环应用；根据车辆室内热负荷需求通过控制压缩机频率实现冷量调节，控制室内温度波动在较小范围，提高室内舒适性。

在第一室内腔20和第二室内腔30均设有二氧化碳浓度传感器43，在第一室内腔20和室外腔10间、第二室内腔30和室外腔10间均设置有单向旁通阀42。在第一室内腔20和第二室内腔30内的二氧化碳传感器检测室内腔二氧化碳浓度；当制冷剂泄漏，室内腔内的二氧化碳浓度传感器43检测到二氧化碳浓度达到设定阈值（具体为2500PPM-5000PPM），压缩机11、室内风机41、废排风机（如果有）停止运行，单向旁通阀42打开，室外风机13运行，将室内腔含高浓度二氧化碳的空气排出到室外大气中。单向旁通阀门可以设计为气动或电动，根据车辆供气或供电条件确定。

为了保证制冷效果，可以在空调箱体内对称设置上述两个制冷剂回路系统。并且室内腔内的两个热交换器共用一个室内风机。

基于上述的轨道车辆空调机组，本发明提供了一种轨道车辆空调机组的控制方法，包括以下步骤：

步骤A、计算车辆热负荷需求。轨道车辆空调制冷系统运行时，根据车内实际温度、目标温度、人员载荷、新风量、车体参数等信息，计算车辆热负荷需求。

在压缩机11启动时，通过控制与压缩机11相配套的变频器向压缩机电机中的线圈直流电使发热加热压缩机润滑油，加热过程达到预设加热时长方可启动压缩机。

步骤B、根据车辆热负荷需求，计算并控制运行相应台数的压缩机11（1台或2台）及压缩机运行频率。

步骤C、根据环境温度、压缩机频率，系统过热度计算并控制电子膨胀阀的开度。根据需求分别控制第一电子膨胀阀23和第二电子膨胀阀33的开度。

通过试验获得典型工况下，压缩机11从30Hz到45Hz的电子膨胀阀开度曲线，该曲线对应相应压缩机频率下的最大制冷量、最大COP。根据车辆负荷需求，计算需要的压缩机运行频率，通过相应压缩机频率下的环境温度与电子膨胀阀开度关系曲线，控制电子膨胀阀开度在预设的较小波动范围，确保系统过热度不小于允许的过热度（如10K），系统安全稳定运行。

步骤D、根据室外热交换器12的出口温度和系统高压压力控制室外风机13运行的数量或频率：当室外热交换器12的出口温度低于预设控制温度（如32℃或其他数值）时，室外风机13降频或减少运行数量，否则升频或增加运行数量；当系统高压压力高于预设控制压力（如11MPa、12.0MPa，具体系统可根据需要调整）时，室外风机13升频运行。

步骤E、根据环境温度、压缩机运行频率控制支电磁阀的开关，即一个或两个制冷剂回路系统中的第一制冷回路运行或是第一第二两个制冷回路均运行。

空调运行过程中，根据采集的系统压力、温度进行逻辑计算，控制调节相关部件的频率、数量、开关、开度等参数，确保空调安全运行且满足车内舒适度要求。

通过低压压力传感器实时采集系统低压压力，控制系统低压压力在3.5~5.0Mpa的安全范围，根据系统压力、温度等参数可调节电子膨胀阀开度及相应电磁阀的开关。当检测到低压压力达到预设值时（预设值与系统相关，如2.4MPa），压缩机11禁止启动或立即停机。系统设置高压压力传感器，通过采集系统高压压力对系统高压实时检测，控制高压压力不高于预设值（如小于12MPa，系统设计不同，预设值不同），当高压压力达到预设值时，可采取室外风机升频和压缩机降频等措施；

如高压压力异常升高，达到高压压力开关动作值，压缩机降频运行；直到压缩机频率降到允许的最低频率，如高压压力开关动作则停机。

制冷系统高压、低压侧安装有泄放装置，空调机组运用中，高压侧/低压侧压力达到泄放压力预设值A1/A2，泄放装置开启，排出部分制冷剂；当压力低于预设值B1/B2，泄放装置自动关闭，以确保制冷系统部件的安全。

上述步骤中还包括实时检测室内腔内的二氧化碳浓度的步骤：当检测到室内腔的二氧化碳传感浓度超过预设值时，压缩机11和室内风机41停机，单向旁通阀42打开同时室外风机13运行。

当系统发生泄漏后，触发安装在室内腔的二氧化碳传感器控制阈值（1500ppm~5000ppm），压缩机、室内风机和废排风机（如果有）停机，室外风机运行，安全旁通阀全开，将室内腔的二氧化碳含量超标的空气排出室外。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

1.一种轨道车辆空调机组，包括空调箱体以及设置在所述空调箱体内的制冷剂回路系统，其特征在于：在所述空调箱体内设有室外腔（10）、第一室内腔（20）和第二室内腔（30）；所述室外腔（10）设置于所述空调箱体的中部，所述第一室内腔（20）和所述第二室内腔（30）分别设置于所述室外腔（10）的两侧，

所述制冷剂回路系统包括设置在所述室外腔（10）内的压缩机（11）和室外热交换器（12）、设置在所述第一室内腔（20）内的第一室内热交换器（21）、第一回热器（22）和第一电子膨胀阀（23）、设置在所述第二室内腔（30）内的第二室内热交换器（31）、第二回热器（32）和第二电子膨胀阀（33）以及配套的管路；

所述室外热交换器（12）的出口借助分液三通（17）以及配套的管路分别与所述第一回热器（22）的入口和所述第二回热器（32）的入口相连，在连接所述室外热交换器（12）的出口和所述分液三通（17）间的管路上设有主电磁阀（15），在连接所述分液三通（17）和所述第二回热器（32）的入口的管路上设有支电磁阀（14），所述第一回热器（22）的出口和所述第二回热器（32）的出口借助三通及配套的管路与所述压缩机（11）的进口相连，在连接三通和所述压缩机（11）进口的管路上设有气液分离器（16）；

在所述室外腔（10）内设有室外风机（13）；

在所述第一室内腔（20）和第二室内腔（30）内均设有室内风机（41）；

所述制冷剂回路系统中的制冷剂为二氧化碳。

2.根据权利要求1所述的轨道车辆空调机组，其特征在于：在所述第一室内腔（20）和所述第二室内腔（30）均设有二氧化碳浓度传感器（43），在所述在第一室内腔（20）和所述室外腔（10）间、第二室内腔（30）和室外腔（10）间均设置有单向旁通阀（42）。

3.根据权利要求1所述的轨道车辆空调机组，其特征在于：所述压缩机（11）为卧式变频压缩机。

4.一种轨道车辆空调机组的控制方法，基于权利要求1-3任一项所述的轨道车辆空调机组，其特征在于：包括以下步骤：

步骤A、计算车辆热负荷需求；

步骤B、根据车辆热负荷需求，计算并控制运行相应台数的压缩机（11）及压缩机运行频率；

步骤C、根据环境温度、压缩机频率，系统过热度计算并控制电子膨胀阀的开度；

步骤D、根据室外热交换器（12）的出口温度和系统高压压力控制室外风机（13）运行的数量或频率：当室外热交换器（12）的出口温度低于预设控制温度时，室外风机（13）降频或减少运行数量，否则升频或增加运行数量；当系统高压压力高于预设控制压力时，室外风机（13）升频运行；

步骤E、根据环境温度、压缩机运行频率控制支电磁阀（14）的开关。

5.根据权利要求4所述的轨道车辆空调机组的控制方法，其特征在于：在压缩机（11）启动时，通过控制与压缩机（11）相配套的变频器向压缩机电机中的线圈提供直流电使其发热来加热压缩机润滑油。

6.根据权利要求4所述的轨道车辆空调机组的控制方法，其特征在于：还包括实时检测室内腔内的二氧化碳浓度的步骤：当检测到室内腔的二氧化碳浓度超过预设值时，压缩机（11）和室内风机（41）停止运行，主电磁阀（15）、支电磁阀（14）失电关闭，单向旁通阀（42）打开同时室外风机（13）运行。

7.根据权利要求4所述的轨道车辆空调机组的控制方法，其特征在于：还包括高压压力控制步骤：实时检测高压压力，当检测到高压压力达到预设值时，室外风机（13）升频运行和/或压缩机（11）降频运行。

8.根据权利要求4所述的轨道车辆空调机组的控制方法，其特征在于：还包括低压压力控制步骤：实时检测低压压力，通过控制电子膨胀阀开度，使系统低压压力运行在安全范围；当检测到低压压力达到预设值时，压缩机（11）禁止启动或立即停机。

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