CN113251700B - 一种无霜型热泵制氧空调机组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无霜型热泵制氧空调机组，包括制氧模块和热泵模块和辅助热源模块：制氧模块包括空气压缩机、多级高压过滤器、三项换热器、稳压罐、两个吸附塔、氧气储气罐和湿化瓶；空气压缩机后连接多级高压过滤器、三项换热器和稳压罐，三项换热器于稳压罐之间管路上依次设置第二压力表、温度计和止回阀；在稳压罐与吸附塔之间设有截止阀和电磁阀，出电磁阀后分别连接两个吸附塔和消声器；热泵模块与空气压缩机、三项换热器、湿化瓶分别连接；辅助热源模块包括依次与消声器、冷凝换热器和三项换热器相连接的管道。本发明充分将制氧系统与热泵系统相结合，既能实现制氧、加湿，又能实现供暖和制冷切换，且实现了热量的回收和利用。

Description

一种无霜型热泵制氧空调机组

技术领域

本发明涉及属于供暖制冷制氧机组，尤其涉及一种无霜型热泵制氧空调机组。

背景技术

在空调运行的房间往往需要保持门窗的密闭以保证空调运行的效果；室内人员的呼吸作用消耗氧气释放二氧化碳；由于通风不佳，导致室内空气干燥，长期处于这样的环境会导致人体产生不适，出现嗜睡、反应迟钝、工作效率下降等问题，影响人的身心健康。针对干燥缺氧的室内环境，在保证人员冬季和夏季热舒适的同时，应提高室内环境的相对湿度，并满足人员对于氧气的需求。传统的制氧机组通过变压吸附、膜分离等方法实现对高海拔室内环境的制氧，但是无法实现向室内供暖、制冷、加湿，解决室内干燥的问题，因此无法满足人员对于氧舒适的需求。

此外，在冬季空调在运行时主要是进行供热运行，如果在使用空调的过程中，室外的温度过低，空气中的水分就会在空调室外机上凝结成霜导致空调热交换器性能逐渐下降，制热效果也会降低。制氧机组模块在空压机部分的余热未被充分利用，被压缩后的高温高压空气的热量，在经过冷却除湿过程中，也可以进行热量的回收利用,制氧副产物氮气携带的热量也有一定的回收价值，如用于除霜。综上所述，进行制氧机组的余热回收、提高机组的cop、满足室内人员对于室内温度、湿度、氧气环境的需求都是目前需要解决的问题。

发明内容

针对现有的制氧机组无法实现向室内供暖、制冷、加湿，以及结霜问题和空压机部分的余热未被充分利用的问题，本发明的目的在于，提供一种无霜型热泵制氧空调机组。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以解决：

一种无霜型热泵制氧空调机组，包括制氧模块和热泵模块和辅助热源模块，其中：

所述制氧模块包括空气压缩机、多级高压过滤器、三相换热器、稳压罐、两个吸附塔、氧气储气罐和湿化瓶；其中，所述空气压缩机后依次连接多级高压过滤器、三相换热器和稳压罐，所述三相换热器于稳压罐之间管路上依次设置第二压力表、温度计和止回阀；在所述稳压罐与并联的两个吸附塔之间的管路上依次设有截止阀和电磁阀，出电磁阀后分别连接两个吸附塔和消声器；并联的两个吸附塔与氧气储气罐之间依次并联有均压阀、两个节流阀；所述节流阀和储气罐之间设有单向阀，储气罐和湿化瓶之间设有限压阀、流量计；

所述热泵模块包括空气压缩机换热器、室内换热器、四通换向阀、第一压力表、制冷剂压缩机、冷凝换热器、第一电磁阀、第二电磁阀、节流阀、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门，其中，所述制冷剂压缩机通过四通换向阀设置在室内换热器与由第一电磁阀与第二电磁阀组成的并联结构之间；热泵模块与供氧模块中的空气压缩机、三相换热器、湿化瓶分别连接；所述热泵模块通过第一电磁阀、第二电磁阀的开启与关闭，实现对冷凝换热器在热泵模块中的接入控制；同时，热泵模块通过第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门的开启与关闭，实现串并联的转换；

所述辅助热源模块包括依次与制氧模块的消声器、热泵模块的冷凝换热器和制氧模块的三相换热器相连接的管道。

进一步的，在所述热泵模块中，当第一电磁阀开启，第二电磁阀关闭，进入供暖工况，供暖工况中，当第三阀门和第五阀门关闭，第一阀门、第二阀门和第四阀门开启，热泵模块为串联式结构，制冷剂压缩机的出口端依次连接室内换热器、电磁阀、节流阀、第四阀门、三相换热器、第二阀门、第一阀门和空气压缩机换热器，最后接入制冷剂压缩机的入口端，第一压力表设置在空气压缩机换热器与制冷剂压缩机的入口之间；当第一阀门、第二阀门、第三阀门和第五阀门开启，第四阀门关闭，热泵模块为并联式结构，制冷剂压缩机的出口端依次连接室内换热器、电磁阀、节流阀和第三阀门后管路分两路：一路依次经过第一阀门和空气压缩机换热器，另一路依次经过截止阀、三相换热器和第一阀门，该两路汇合后接第一压力表；第一压力表设置在制冷剂压缩机进口端的管路上。

进一步的，在所述热泵模块中，当第一电磁阀关闭，第二电磁阀开启，进入供冷工况，供冷工况中，当第三阀门和第五阀门关闭，第一阀门、第二阀门和第四阀门开启，热泵模块为串联式结构，制冷剂压缩机的出口端依次连接冷凝换热器、电磁阀、节流阀、第二阀门、三相换热器、截止阀、截止阀、空气压缩机换热器、和室内换热器，最后接入制冷剂压缩机的入口端，第一压力表设置在室内换热器与制冷剂压缩机的入口之间；当第一阀门、第二阀门、第三阀门和第五阀门开启，第四阀门关闭，热泵模块为并联式结构，制冷剂压缩机的出口端依次连接冷凝换热器、电磁阀、节流阀和第三阀门后管路分两路：一路依次经过截止阀、空气压缩机换热器，另一路依次经过截止阀、三相换热器和第一阀门，该两路汇合后通过室内换热器后接第一压力表，第一压力表设置在制冷剂压缩机进口端的管路上。

进一步的，在所述热泵模块中，所述空气压缩机换热器安装在空气压缩机的外壳上；所述流量计出口通入室内换热器后连接湿化瓶的入口。

进一步的，所述空气压缩机中高温高压气体的气体压力为0.15Mpa-0.5Mpa，出气温度高于环境温度20℃-30℃。

进一步的，所述三相换热器4包括上下设置的两组换热翅片且串联，每组换热翅片侧面分别固定有一个箱体，箱体内设置有轴流风扇。

进一步的，每组所述换热翅片采用2列10排铜管，所述铜管采用纵向连接，铜管管径10mm，管间距离10mm，上下铜管中心间距为20mm，第一列铜管与换热翅片边缘间距10mm，第一列与第二列铜管间距10mm，第二列与换热翅片边缘间距10mm；所述每组换热翅片宽度为200mm、高度为200mm，箱体为200mm×260mm×200mm，两个箱体之间的间距为100mm。

进一步的，所述轴流风扇的风量是155m³/h。

进一步的，所述冷凝换热器9包括三组盘管。

进一步的，所述换热翅片长300mm，宽60mm，高200mm；所述换热翅片采用3列10排铜管，铜管采用纵向连接，铜管管径10mm，管间距10mm，上下铜管中心距为20mm，第一、第三列铜管与分别边缘距离10mm，中间列与一、三列铜管分别间距10mm。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明的制氧模块从空气中提取出氧气并加湿，从而提高室内的氧浓度和湿度，既能实现制氧，又能实现供暖，同时满足房间内的氧负荷和热负荷。热泵机组中，充分的将制氧系统与热泵系统相结合，既能实现制氧、加湿，又能通过阀门设置控制实现供暖和制冷切换，同时满足房间内的氧负荷和冷热负荷，并且将制氧模块产生热量的位置与制冷系统的蒸发器相结合实现热量的回收和利用。

2、本发明中，吸附塔20排出的氮气及其他气体具有一定的动能及热量，将这部分气体通至三相换热器4和冷凝换热器9中，一方面充分利用剩余气体的热量用于氧气加热加湿，另外一方面，利用气体的动能，对三相换热器4喷吹，强化换热其中的换热，从气体的品质角度讲，制氧系统对进入吸附塔气体的水蒸气含量要求较高，因此必须将空气中的水蒸气提前除掉，所以从吸附塔出来的气体其水蒸气含量非常低。将这部分剩余气体通入三相换热器4中，可在很大程度上减少蒸发器部分的结霜问题。通过四通换向阀6和冷凝换热器9联动调节，实现室内供暖制氧和供冷制氧。

3、本发明可通过供热模块的单系统串并联结构切换，满足了不同工况下的热量需求，提高了系统的换热效率，并且能够调节系统运行的阻力大小，使系统运行更加稳定。本发明中，热泵系统中把三相换热器4和空气压缩机换热器2当作蒸发器，分别吸收高温高压的空气热量和压缩机产生的热量。本发明通过串联的连接方式将三相换热器和空气压缩机换热器2相连，由于产生的热量不同，因此三相换热器4和空气压缩机换热器的排列顺序上，制冷剂首先经过三相换热器，再经过空气压缩机换热器。采用这种排列方式有非常大的好处，制冷剂压缩机中制冷剂是气体状态，在压缩机入口前，将制冷剂与空气压缩机进行换热，实现制冷剂的再热，这样可以保证制冷剂在进入压缩机前是气体状态，防止液击对制冷剂压缩机造成损坏。而在并联形式中，三相换热器4和空气压缩机换热器2分别在两个支路管路中，双蒸发器不分主辅，同时进行换热，这样的并联结构能够保证系统阻力小、运行更加稳定。另外，当采用双蒸发器并联装置时，可根据不同部位的冷量需求，调节流经各蒸发器的流量，实现根据负荷的实际需要做出更好的分配，相比于串联，冷热交换更充分。

4、在三相换热器4连接管路上设置有第二阀门29，在室内负荷较小时，可关断三相换热器4，减少系统能耗。

5、本发明中，吸附塔排出的气体热量被三相换热器吸收，达到能量回收效果，减少了能量耗散并且能够零能耗除霜。

附图说明

图1是本发明的无霜型热泵制氧空调机组的结构工作原理图；

图2是制氧模块流程图；

图3是热泵系统串并联式结构供暖工况示意图；

图4是热泵系统串并联式结构制冷工况示意图；

图5是三相换热器的轴测图；

图6是三相换热器的左视图；

图7是三相换热器的主视图；

图8是三相换热器的后视图；

图9是三相换热器的右视图；

图10是三相换热器的俯视图；

图11是冷凝换热器的轴测图；

图12是冷凝换热器的主视图；

图13是冷凝换热器的左视图；

图14是冷凝换热器的右视图；

图15是空压机壁温变化图；

图16是空压机出口和吸附塔入口空气温度变化图；

图17是制氧浓度示意图；

图18是剩余气体换热温差示意图。

以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

具体实施方式

本发明兼具制氧、供暖、供冷的功能，针对既有热负荷或者冷负荷又是干燥缺氧的区域创造舒适环境进行设计。本发明工作原理示意图如图1，下面结合附图对本发明做进一步的解释和说明，在本说明中使用方位词语、顺序号，均按照图1为基准，相应部件均以图例示意为准。

如图1，本发明的无霜型热泵制氧空调机组，系统组成包括制氧模块和热泵模块和辅助热源模块，其中：

制氧模块用于从空气中提取出氧气并加湿，为室内区域提供足够的氧气和湿度，并储存多余的氧气。制氧模块包括空气压缩机1、多级高压过滤器3、三相换热器4、稳压罐16、两个吸附塔20、氧气储气罐24和湿化瓶27；其中，空气压缩机1后依次连接多级高压过滤器3、三相换热器4和稳压罐16，三相换热器4于稳压罐16之间管路上依次设置第二压力表13、温度计14和止回阀15；在稳压罐16与并联的两个吸附塔20之间的管路上依次设有截止阀17和电磁阀18，出电磁阀18后分别连接两个吸附塔20和消声器19，废气经消声器19排出；并联的两个吸附塔20与氧气储气罐24之间依次并联有均压阀21、两个节流阀22；设置在吸附塔20和节流阀22之间的均压阀21平衡两吸附塔的压力，吸附塔20制得的氧气由上部排出经节流阀22排出；节流阀22和储气罐24之间设有单向阀23，储气罐24和湿化瓶27之间设有限压阀25、流量计26。

热泵模块用于消除室内冷热负荷。热泵模块包括空气压缩机换热器2、室内换热器5、四通换向阀6、第一压力表7、制冷剂压缩机8、冷凝换热器9、第一电磁阀10、第二电磁阀11、节流阀12、第一阀门28、第二阀门29、第三阀门30、第四阀门31、第五阀门32，其中，制冷剂压缩机8通过四通换向阀6设置在室内换热器5与由第一电磁阀10与第二电磁阀11组成的并联结构之间；热泵模块与供氧模块中的空气压缩机1、三相换热器4、湿化瓶27分别连接，用于吸收供氧模块中产生的多余热量并用于供暖、供冷。热泵模块通过第一电磁阀10、第二电磁阀11的开启与关闭，实现对冷凝换热器9在热泵模块中的接入控制，从而控制供暖还是供冷；同时，通过热泵模块采用通过第一阀门28、第二阀门29、第三阀门30、第四阀门31、第五阀门32的开启与关闭，实现串并联的转换。

当第一电磁阀10开启，第二电磁阀11关闭，进入供暖工况，供暖工况中，当第三阀门30和第五阀门32关闭，第一阀门28、第二阀门29和第四阀门31开启，热泵模块为串联式结构，制冷剂压缩机8的出口端依次连接室内换热器5、电磁阀10、节流阀12、第四阀门31、三相换热器4、第二阀门29、第一阀门28和空气压缩机换热器2，最后接入制冷剂压缩机8的入口端，第一压力表7设置在空气压缩机换热器2与制冷剂压缩机8的入口之间；当第一阀门28、第二阀门29、第三阀门30和第五阀门32开启，第四阀门31关闭，热泵模块为并联式结构，制冷剂压缩机8的出口端依次连接室内换热器5、电磁阀10、节流阀12和第三阀门32后管路分两路：一路依次经过第一阀门28和空气压缩机换热器2，另一路依次经过截止阀29、三相换热器4和第一阀门30，该两路汇合后接第一压力表7；第一压力表7设置在制冷剂压缩机8进口端的管路上。

当第一电磁阀10关闭，第二电磁阀11开启，进入供冷工况，供冷工况中，当第三阀门30和第五阀门32关闭，第一阀门28、第二阀门29和第四阀门31开启，热泵模块为串联式结构，制冷剂压缩机8的出口端依次连接冷凝换热器9、电磁阀11、节流阀12、第二阀门31、三相换热器4、截止阀29、截止阀28、空气压缩机换热器2、和室内换热器5，最后接入制冷剂压缩机8的入口端，第一压力表7设置在室内换热器5与制冷剂压缩机8的入口之间；当第一阀门28、第二阀门29、第三阀门30和第五阀门32开启，第四阀门31关闭，热泵模块为并联式结构，制冷剂压缩机8的出口端依次连接冷凝换热器9、电磁阀11、节流阀12和第三阀门32后管路分两路：一路依次经过截止阀28、空气压缩机换热器2，另一路依次经过截止阀29、三相换热器4和第一阀门30，该两路汇合后通过室内换热器5后接第一压力表7，第一压力表7设置在制冷剂压缩机8进口端的管路上。

空气压缩机换热器2安装在空气压缩机1的外壳上；流量计26出口通入室内换热器5后连接湿化瓶27的入口。三相换热器4内设有两列盘管，制冷剂与空气分别从两列盘管内流过并进行换热，高温高压空气从多级高压过滤器3出来，通过三相换热器4中的一列盘管后流向第二压力表13；制氧模块制得的氧气从流量计26出来后进入冷凝蒸发器9，氧气直接掠过其内的换热盘管并提高温度，然后进入湿化瓶27进行加湿。

本发明的热泵模块可以实现供热模块的单系统串并联结构切换，满足了不同工况下的热量需求，提高了系统的换热效率，并且能够调节系统运行的阻力大小，使系统运行更加稳定。

辅助热源模块用于氧气的预热，使氧气被更好的加湿，保证人员的用氧舒适，包括依次与制氧模块的消声器19、热泵模块的冷凝换热器9和制氧模块的三相换热器4相连接的管道。吸附塔16排出的废气(主要是氮气及其他气体)依次经过电磁阀18和消声器19，废气进入到冷凝换热器9将热量传递至流量计26与湿化瓶27之间的氧气管道，回收废气中的热量，剩余废气用于喷吹三相换热器4。

上述技术方案的工作原理如下：

制氧模块，本模块制氧技术采用变压吸附法制取氧气，室外空气通过空气压缩机1，空气压缩机1由于往复式活塞式运动压缩空气，消耗电能，产生热能，将空气压缩为高温高压气体，控制气体压力在0.15Mpa-0.5Mpa，出气温度高于环境温度20℃-30℃；接着，空气压缩机1与空气压缩机换热器2换热，带走空气压缩机1产热的同时实现热量回收。高温高压的空气经由多级高压过滤器3，将高温高压中的灰尘及水蒸气除掉。在变压吸附式制氧方式中，需将压缩空气冷却至常温，才能实现高效的制氧率，因此，由多级高压过滤器3出来的压缩空气通过三相换热器4，压缩空气被冷却至常温状态，第二压力表13和温度计14测量冷却后的压缩空气压力及温度，经过止回阀15进入稳压罐16中，稳压后的压缩空气经过截止阀17和电磁阀18进入到两座并联的吸附塔20当中，吸附塔20中的沸石分子筛将氧气和氮气及其他气体分离出来。此处采用双吸附塔模式，当一个吸附塔20工作时，另一个吸附塔20处于再生解吸过程，双吸附塔交替进行吸附解吸工作，氧气由吸附塔上部排出，氮气及其他气体将由吸附塔20下部排出。吸附塔上部排除的氧气经由单向阀23进入到储气罐24，将制得的氧气储存起来。吸附塔20上部的均压阀21可平衡两座吸附塔的压力，排除的氧气经由节流阀22，调节流量后，通过单向阀23进入到储气罐24，将制得的氧气储存起来。流量计26测量并监测通入室内的氧气流量，由于制氧系统制得的氧气是不含水蒸气的，为保证人体呼吸舒适的要求，需将氧气湿化。气体温度越高，吸湿能力越强，因此将制得的氧气在通入室内前先经过冷凝换热器9，或者后进行加热，将混合后的富氧气体通入湿化瓶27再通入室内，供人呼吸。经湿化后的氧气已经满足人体对呼吸空气水蒸气含量的要求。

本发明中，采用氧负荷和冷热负荷后混合的方式，即是将氧气先进行加热并加湿，然后再将加湿后的氧气与经过室内换热器5的空气进行混合送入到室内，这样既满足了人体的氧负荷又满足了人体的舒适需求。

当房间要求供暖时，电磁阀10(干路)开启，电磁阀11(支路)关闭，冷凝换热器9内无制冷剂流过。热泵模块运行供热工况，冷凝换热器9中的氮气管道的热量通过冷凝换热器9用于加热氧气，氧气经冷凝换热器9加热后再经湿气瓶27加湿，最终与室内换热器5加热后的空气混合后一并送入室内。此时热泵模块运行供暖工况，制冷剂压缩机8、室内换热器5、三相换热器4和空气压缩机换热器2参与供暖工作。其中室内换热器5作为冷凝器，三相换热器4与空气压缩机换热器2串联构成的双蒸发器吸收热量。双蒸发器通过阀门调节实现串联与并联的转化。制冷剂首先由压缩机8压缩成高温高压的制冷剂气体，然后通过室内换热器5，制冷剂由高温高压气体变成高压液体，由室内换热器5的热量加热室内空气，满足房间的热负荷。制冷剂从室内换热器5出来后经过电磁阀10、节流阀12，制冷剂压力降低，若第三阀门30和第五阀门32关闭，第一阀门28、第二阀门29和第四阀门31开启，热泵模块为串联式结构，制冷剂依次在三相换热器4和空气压缩机翅片换热器2中吸收热量，逐渐由液态变成气态，最终经由压力表回到制冷剂压缩机8中，往复循环，为房间提供暖量。当第一阀门28、第二阀门29、第三阀门30和第五阀门32开启，第四阀门31关闭，热泵模块为并联式结构，此时，制冷剂将分为两部分，一部分制冷剂通过第五阀门32、第二阀门29进入三相换热器4吸收从空气压缩机出来的高温高压空气的热量后再通过截止阀30，另一部分制冷剂通过第五阀门32、第一阀门28进入空气压缩机换热器2中吸收空气压缩机1摩擦产生的热量。制冷剂通过吸收热量，逐渐由液态变成气态，然后在制冷剂压缩机8入口端汇合，最终经由压力表7回到制冷剂压缩机8中，往复循环，为房间提供暖量。

当房间要求供冷时，电磁阀10(干路)关闭，电磁阀11(支路)开启，冷凝换热器9作为冷凝器。热泵模块运行制冷工况，室内换热器5、制冷剂压缩机8、由三相换热器4和空气压缩机翅片换热器2组成的双蒸发器和冷凝换热器9参与供冷工作。制冷剂首先由制冷剂压缩机8压缩成高温高压的制冷剂气体，然后通过冷凝换热器9，由高温高压状体变成高压液体，由冷凝换热器9的热量与氮气喷吹管的热量，用于加热氧气。制冷剂从冷凝换热器9出来后经过节流阀12，制冷剂压力降低，若第三阀门30和第五阀门32关闭，第一阀门28、第二阀门29和第四阀门31开启，热泵模块为串联式结构，制冷剂在三相换热器4、空气压缩机翅片换热器2中和室内换热器5吸收热量，逐渐由液态变成气态，最终经由第一压力表7回到制冷剂压缩机8中，往复循环，为房间提供冷量。当第一阀门28、第二阀门29、第三阀门30和第五阀门32开启，第四阀门31关闭，热泵模块为并联式结构，制冷剂将分为两部分，一部分制冷剂通过第五阀门32、第二阀门29进入三相换热器4吸收从空气压缩机出来的高温高压空气的热量后再通过截止阀30，另一部分制冷剂通过第五阀门32、第一阀门28进入空气压缩机换热器2中吸收空气压缩机1摩擦产生的热量。制冷剂通过吸收热量，逐渐由液态变成气态，两路汇合后进入室内换热器5，再由第一压力表7回到制冷剂压缩机8中，往复循环，为房间提供冷量。

在并联方式中，制冷剂分别吸收三相换热器4和空气压缩机换热器2中的热量更加灵活和稳定，并且可以调节阀门的开度，调节两个支路的制冷剂流量，进一步控制三相换热器4的换热量，控制进入三相换热器4的高温高压空气的出口温度。

辅助热源模块中的氮气管的热量通过冷凝换热器9用于加热氧气，氧气经冷凝换热器9加热后再加湿，最终与室内换热器5的空气混合后一并送入室内。

上述过程中，高温高压空气从多级高压过滤器3出来，通过三相换热器4中的一个盘管后流向第二压力表13；制冷剂进入三相换热器4的另一个盘管，制冷剂与空气分别从三相换热器4的两个盘管内流过并进行换热。

优选的，三相换热器4是一种采用翅片式结构的换热设备，如图5所示，三相换热器4包括上下设置的两组换热翅片且串联，每组换热翅片侧面分别固定有一个箱体，箱体内设置有轴流风扇，风扇中心位于箱体中心。

优选的，如图6和图7，每组换热翅片采用2列10排铜管，铜管采用纵向连接。铜管管径10mm，管间距离10mm，上下铜管中心间距为20mm，第一列铜管与换热翅片边缘间距10mm，第一列与第二列铜管间距10mm，第二列与换热翅片边缘间距10mm。

如图6所示，三相换热器4在使用中，从空气压缩机1中出来的高温高压空气，经过翅片的第一排管，节流后的制冷剂经过换热翅片的第二排管，分别从上侧进，从下侧出，形成顺流换热，制冷剂冷却高温高压空气，使之变成高压常温状态。另外，将吸附塔20分离后的剩余气体由电磁阀18经消声器19引入到三相换热器4当中，利用剩余气体的动能及温度实现对三相换热器4的喷吹与换热。

优选的，每组换热翅片宽度为200mm、高度为200mm，箱体为200mm×260mm×200mm，两个箱体之间的间距为100mm，因此三相换热器总高度500mm。

优选的，如图8，轴流风扇的风量是155m³/h。

优选的，吸附塔20为变压吸附塔。

冷凝换热器9是在制冷工况中充当冷凝器的角色，是热泵模块的关键设备。优选的，如图11，冷凝换热器9采用一种翅片式结构的换热设备，包括换热翅片和铜管。具体包括由三组盘管及翅片，可用于三种流体间换热。在本发明中，制氧模块所制得的氧气由中间的盘管进出，两侧盘管分别用于进出制冷剂和制氧模块的副产物氮气，可以根据实际需要控制两侧盘管内流体进行换热。在制冷工况下，电磁阀10(干路)关闭，电磁阀11(支路)开启，冷凝换热器9做冷凝器。制冷剂首先由压缩机8压缩成高温高压的制冷剂气体，然后通过冷凝换热器9，制冷剂由高温高压状体变成高压液体，由冷凝换热器9的热量与氮气喷吹管的热量，用于加热氧气。在供暖工况下，电磁阀10(干路)开启，电磁阀11(支路)关闭，冷凝换热器9内无制冷剂流过。氮气管的热量通过冷凝换热器9用于加热氧气。

如图12和14，换热翅片长300mm，宽60mm，高200mm。如图14，换热翅片采用3列10排铜管，铜管采用纵向连接，铜管管径10mm，管间距10mm，上下铜管中心距为20mm，一、三列铜管与分别边缘距离10mm，中间列与一、三列铜管分别间距10mm。

为了说明本发明的效果，给出试验研究相关数据：

本发明的主要特点是利用蒸发器吸收制氧模块在制氧过程产生的热量，其中主要的吸收热量的部件是三相换热器4和空气压缩机换热器2，因此可以通过对比空压机的壁温的变化和空气压缩机出口到吸附塔入口的温度变化看出热回收的效果。由图15看出，空压机的壁温也有明显下降，由图16看出，与无热泵模块的制氧机对比，有热泵模块的机组从空气压缩机出口到吸附塔入口，空气温度有明显的降低。这两部分的热量分别被三相换热器和空气压缩机换热器吸收。

由图16可见，从空气压缩机出口到吸附塔入口，空气温度降低，因此需要考虑热回收对制氧效果的影响，接下来做了制氧浓度的对比试验。经过试验，排除无效数据，分析有效数据，得到制氧的平均浓度为86.72/％vol，尾气平均氧浓度为14.46％。因此经试验数据分析，供热模块吸收了制氧机的产生的热量，并没有对制氧浓度产生影响，如图17。

综上所述，试验证明本发明具有良好的制氧效果，并且充分利用热量，保证室内供热和供氧浓度的同时，满足室内人员的热舒适要求。

本发明的另外一个特点是利用剩余气体具有的热量，对氧气进行预热，以便氧气加湿，因此对剩余气体的换热情况做试验分析。

如图18所示，剩余气体出吸附塔时的气体温度大约为19.5℃，经过冷凝换热器9换热后，温度下降到15.5℃左右，因此具有4.0℃的温降，冷凝换热器9吸收这部分能量，加热氧气。

综上所述，试验证明本发明具有良好的制氧效果，并且充分利用热量，保证室内供热和供氧浓度的同时，满足室内人员的热舒适要求。

为了进一步说明本发明的效果，给出以下工程实际案例：

以西安为例，西安四季分明，最热7月份平均气温26℃左右，但夏季最高温度可达40℃以上，闷热潮湿；最冷1月份平均气温-1℃左右。因此西安地区夏季需要制冷、除湿；冬季需要供暖，以满足人员在室内的热舒适需求，保证人员正常生活。而针对部分建筑进深较大以及环境狭小封闭等原因，会导致室内缺氧环境，人员出现胸闷、头疼等症状。因此，对于室内缺氧环境在不同季节时，人员会有氧需求、以及对热舒适的需求。特别是一些特殊场所，医院、养老院、幼儿园等。本发明制氧效率在85％以上，制氧量最高可达20L/min，可保证5到6人的氧气呼吸需求。针对冬季工况，热泵模块制热量约为2800W，相当于1匹空调，可满足约20m²平方米的供暖需求。而对于夏季工况，本发明可以实现对室内制冷，制冷量约为2500W,同时制氧过程中对氧气已进行除湿过程，混合后富氧气流可实现对室内制氧、制冷、除湿目标，满足人员氧气需求同时，实现对室内热湿环境进行控制。

综上所述，本发明不同模块同时运行可实现制氧供暖、制氧制冷等需求，满足不同工况下室内缺氧环境的需求。对满足人体的热舒适和氧需求，保证人体的生命健康，适用地区及范围更加广泛，具有非常大的工程实际应用价值。

Claims (10)

1.一种无霜型热泵制氧空调机组，其特征在于，包括制氧模块和热泵模块和辅助热源模块，其中：

所述制氧模块包括空气压缩机、多级高压过滤器、三相换热器、稳压罐、两个吸附塔、氧气储气罐和湿化瓶；其中，所述空气压缩机后依次连接多级高压过滤器、三相换热器和稳压罐，所述三相换热器于稳压罐之间管路上依次设置第二压力表、温度计和止回阀；在所述稳压罐与并联的两个吸附塔之间的管路上依次设有截止阀和电磁阀，出电磁阀后分别连接两个吸附塔和消声器；并联的两个吸附塔与氧气储气罐之间依次并联有均压阀、两个节流阀；所述节流阀和储气罐之间设有单向阀，储气罐和湿化瓶之间设有限压阀、流量计；

所述热泵模块包括空气压缩机换热器、室内换热器、四通换向阀、第一压力表、制冷剂压缩机、冷凝换热器、第一电磁阀、第二电磁阀、节流阀、第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门，其中，所述制冷剂压缩机通过四通换向阀设置在室内换热器与由第一电磁阀与第二电磁阀组成的并联结构之间；热泵模块与供氧模块中的空气压缩机换热器、三相换热器、湿化瓶分别连接；所述热泵模块通过第一电磁阀、第二电磁阀的开启与关闭，实现对冷凝换热器在热泵模块中的接入控制；同时，热泵模块通过第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门的开启与关闭，实现三相换热器与空气压缩机换热器之间的串并联的转换；

所述辅助热源模块包括依次与制氧模块的消声器、热泵模块的冷凝换热器和制氧模块的三相换热器相连接的管道。

2.如权利要求1所述的无霜型热泵制氧空调机组，其特征在于，在所述热泵模块中，当第一电磁阀开启，第二电磁阀关闭，进入供暖工况，供暖工况中，当第三阀门和第五阀门关闭，第一阀门、第二阀门和第四阀门开启，热泵模块为串联式结构，制冷剂压缩机的出口端依次连接室内换热器、电磁阀、节流阀、第四阀门、三相换热器、第二阀门、第一阀门和空气压缩机换热器，最后接入制冷剂压缩机的入口端，第一压力表设置在空气压缩机换热器与制冷剂压缩机的入口之间；当第一阀门、第二阀门、第三阀门和第五阀门开启，第四阀门关闭，热泵模块为并联式结构，制冷剂压缩机的出口端依次连接室内换热器、电磁阀、节流阀和第三阀门后管路分两路：一路依次经过第一阀门和空气压缩机换热器，另一路依次经过截止阀、三相换热器和第一阀门，该两路汇合后接第一压力表；第一压力表设置在制冷剂压缩机进口端的管路上。

3.如权利要求1所述的无霜型热泵制氧空调机组，其特征在于，在所述热泵模块中，当第一电磁阀关闭，第二电磁阀开启，进入供冷工况，供冷工况中，当第三阀门和第五阀门关闭，第一阀门、第二阀门和第四阀门开启，热泵模块为串联式结构，制冷剂压缩机的出口端依次连接冷凝换热器、电磁阀、节流阀、第二阀门、三相换热器、截止阀、截止阀、空气压缩机换热器、和室内换热器，最后接入制冷剂压缩机的入口端，第一压力表设置在室内换热器与制冷剂压缩机的入口之间；当第一阀门、第二阀门、第三阀门和第五阀门开启，第四阀门关闭，热泵模块为并联式结构，制冷剂压缩机的出口端依次连接冷凝换热器、电磁阀、节流阀和第三阀门后管路分两路：一路依次经过截止阀、空气压缩机换热器，另一路依次经过截止阀、三相换热器和第一阀门，该两路汇合后通过室内换热器后接第一压力表，第一压力表设置在制冷剂压缩机进口端的管路上。

4.如权利要求1所述的无霜型热泵制氧空调机组，其特征在于，在所述热泵模块中，所述空气压缩机换热器安装在空气压缩机的外壳上；所述流量计出口通入室内换热器后连接湿化瓶的入口。

5.如权利要求1所述的无霜型热泵制氧空调机组，其特征在于，所述空气压缩机中高温高压气体的气体压力为0.15Mpa-0.5Mpa，出气温度高于环境温度20℃-30℃。

6.如权利要求1～5任一所述的无霜型热泵制氧空调机组，其特征在于，所述三相换热器4包括上下设置的两组换热翅片且串联，每组换热翅片侧面分别固定有一个箱体，箱体内设置有轴流风扇。

7.如权利要求6所述的无霜型热泵制氧空调机组，其特征在于，每组所述换热翅片采用2列10排铜管，所述铜管采用纵向连接，铜管管径10mm，管间距离10mm，上下铜管中心间距为20mm，第一列铜管与换热翅片边缘间距10mm，第一列与第二列铜管间距10mm，第二列与换热翅片边缘间距10mm；所述每组换热翅片宽度为200mm、高度为200mm，箱体为200mm×260mm×200mm，两个箱体之间的间距为100mm。

8.如权利要求6所述的无霜型热泵制氧空调机组，其特征在于，所述轴流风扇的风量是155m³/h。

9.如权利要求1～5任一所述的无霜型热泵制氧空调机组，其特征在于，所述冷凝换热器9包括三组盘管。

10.如权利要求6所述的无霜型热泵制氧空调机组，其特征在于，所述换热翅片长300mm，宽60mm，高200mm；所述换热翅片采用3列10排铜管，铜管采用纵向连接，铜管管径10mm，管间距10mm，上下铜管中心距为20mm，第一、第三列铜管与分别边缘距离10mm，中间列与一、三列铜管分别间距10mm。

Images