CN113339909B - 热泵空调系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热泵空调系统，其包括压缩机、控制阀、室内换热器以及室外换热器，所述室内换热器和/或所述室外换热器包括第一换热器和第二换热器，所述第一换热器用于气液两相混合制冷剂的热交换，所述第二换热器用于气态或液态单相制冷剂的热交换，所述第二换热器形成有液相部以及气相部，分别用于液态制冷剂以及气态制冷剂的热交换，通过预先设置送风参数及冷媒状态参数等，可以针对冷媒具体的换热状态开启对应的第一换热器和第二换热器，提高换热效率，保证冷媒在换热过程中实现最高收益。

Description

热泵空调系统

技术领域

本发明属于空调技术领域，具体地说，是涉及一种热泵空调系统。

背景技术

众所周知，热泵型空调通过消耗一定的功率，将热量从低温空气转移至高温空气，该过程的热量输运和转移主要是通过热交换器完成。现有技术中，热交换器内制冷剂一般为R410A、R32、R290等介质，制冷剂的热量主要以相变潜热的方式储放。

典型地，热交换器作冷凝器时，制冷剂将热量传递至高温空气的过程中，先后经历过热气体、气液两相、过冷液体三种形态；热交换器作蒸发器时，制冷剂从低温空气吸收热量的过程中，先后经历气液两相、过热气体二种形态。

当制冷剂处于单相气或者液相时，由于对流换热系数小导致换热器的局部换热效率低。当制冷剂处于气液两相混合态时，相变过程的对流换热系数急剧增加因而换热器的局部换热效率高。

现有制冷系统并未考虑换热器内部单相和两相制冷剂的传热特征差异，而将气相、液相、气液相混杂在一起进行平均，在制冷系统内实行无差别地处理（送风状态、换热管、翅片、压缩机等配置相同）。

一方面，虽然投入的资源相同，但是制冷系统在换热器单相区的收益明显偏低。另一方面，虽然换热器两相区的换热效率较高，但是由于气液混杂一刀切设计，既要兼顾单相又要兼顾两相，难以保证两相区处于最优设计。

发明内容

本发明的目的在于提供一种热泵空调系统，以解决现有技术中存在的空调系统并未考虑换热器内部单相和两相制冷剂的传热特征差异，在空调系统内实行无差别地处理，导致换热率较低等问题。

为实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案予以实现：

本发明提出了一种热泵空调系统，其包括：

压缩机，所述压缩机具有输出口以及输入口；

控制阀，所述控制阀具有第一阀口至第四阀口，所述第一阀口与所述控制阀的第二阀口或者第四阀口连接，所述第二阀口或者所述第四阀口的另一阀口与第三阀口连接，所述第一阀口与所述压缩机的输出口连接，所述第三阀口与所述压缩机的输入口连通；

室内换热器，所述室内换热器的第一端与所述控制阀的第四阀口相连；

室外换热器，所述室外换热器的第一端与所述控制阀的第二阀口连接；

所述室内换热器和/或所述室外换热器包括第一换热器和第二换热器，所述第一换热器用于气液两相混合制冷剂的热交换，所述第二换热器用于气态或液态单相制冷剂的热交换，所述第二换热器形成有液相部以及气相部，分别用于液态制冷剂以及气态制冷剂的热交换。

在本申请的一些实施例中，所述第二换热器的气相部设置有气相进口以及气相出口，外管路中的冷媒通过气相进口输送到气相部内，并经过气相出口排出；

所述第二换热器的液相部设置有液相进口以及液相出口，所述液相进口与所述第一换热器连通，所述液相出口与外管路连通，从第一换热器输出的冷媒从液相进口输送到第二换热器中，然后经过液相出口输出到外管路中。

在本申请的一些实施例中，所述第一换热器上形成有第一接口和第二接口，所述第一接口与所述第二换热器或外管路连通，所述第二接口与所述外管路或所述第二换热器连通。

在本申请的一些实施例中，所述第二换热器内形成有多个流路，所述气相进口处形成有分气管。

在本申请的一些实施例中，所述第一换热器内形成有多个流路，所述第二接口处形成有分流器。

在本申请的一些实施例中，所述第二换热器中气相部内换热管直径大于所述液相部内换热管直径，所述控制阀为四通阀。

在本申请的一些实施例中，气液分离器，所述气液分离器具有第一出口以及进口，所述控制阀的第三阀口连接气液分离器的进口，然后通过所述第一出口与所述压缩机的输入口连接。

在本申请的一些实施例中，所述第一换热器的第一接口、第二接口以及所述第二换热器的气相进口、液相出口处均设置有检测部，用于检测流经该处的制冷剂数据。

在本申请的一些实施例中，所述第一换热器以及第二换热器通过管路以及多个开关阀串联连接，所述第一换热器以及所述第二换热器分别通过一台风机单独控制其风量。

在本申请的一些实施例中，所述第一换热器以及第二换热器共用一台风机，所述风机与所述第一换热器和所述第二换热器之间形成有独立的风道。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：

在构成上述热泵系统的室内机或者室外机上，具有两台不同的热交换器，第一换热器以及第二换热器，其中第二换热器用于单相制冷剂的热交换，第一换热器用于两相制冷剂的热交换，所述第二换热器形成有液相部以及气相部，分别用于液态制冷剂以及气态制冷剂的热交换，通过预先设置送风参数及冷媒状态参数等，可以针对冷媒具体的换热状态开启对应的第一换热器和第二换热器，提高换热效率。

结合附图阅读本发明的具体实施方式后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1 是本发明所提出的热泵空调系统的一种实施例的制热模式示意图；

图2是本发明所提出的热泵空调系统的一种实施例的制冷模式示意图；

图3是作为冷凝器，第一换热器与第二换热器冷媒流通示意图；

图4是作为蒸发器，第一换热器与第二换热器冷媒流通示意图；

图5是本发明中第一换热器连接示意图；

图6是本发明中第二换热器连接示意图；’

图7是本发明中空调系统压力-比焓关系曲线示意图；

图8是本发明中检测部位置示意图；

图中，1、压缩机；101、输出口；102、输入口；

2、气液分离器；21、进口；22、第一出口；

3、控制阀；31、第一阀口；32、第二阀口；33、第三阀口；34、第四阀口；

4、气管截止阀；

5、第二换热器；51、气相进口；52、气相出口；53、液相出口；54、液相进口；

6、风机；

7、电子膨胀阀；

8、第一换热器；81、第一接口；82、第二接口；

9、液管截止阀；

11、储液罐；

12、毛细管；

13、检测部；

14、油分离器；

15、分流器；

16、分气管；

171、第一开关阀；172、第二开关阀；173、第三开关阀；174、第四开关阀；175、第五开关阀。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之”上”或之”下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征”之上”、”上方”和”上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征”之下”、”下方”和”下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。

本实施例提供的一种空调器通过使用压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器来执行空调器的制冷制热循环。制冷制热循环包括一系列过程，涉及压缩、冷凝、膨胀和蒸发，并向已被调节和热交换的空气供应冷媒介质。

压缩机压缩处于高温高压状态的冷媒气体并排出压缩后的冷媒气体。所排出的冷媒气体流入冷凝器。冷凝器将压缩后的冷媒冷凝成液相，并且热量通过冷凝过程释放到周围环境。

膨胀阀使在冷凝器中冷凝的高温高压状态的液相冷媒膨胀为低压的液相冷媒。蒸发器蒸发在膨胀阀中膨胀的冷媒，并使处于低温低压状态的冷媒气体返回到压缩机。蒸发器可以通过利用冷媒的蒸发的潜热与待冷却的材料进行热交换来实现制冷效果。在整个循环中，空调器可以调节室内空间的温度。

空调器的室外机是指制冷循环的包括压缩机、室外换热器和室外风机的部分，空调器的室内机包括室内换热器和室内风机的部分，并且节流装置（如毛细管或电子膨胀阀）可以提供在室内机或室外机中。

室内换热器和室外换热器用作冷凝器或蒸发器。当室内换热器用作冷凝器时，空调器执行制热模式，当室内换热器用作蒸发器时，空调器执行制冷模式。

其中，室内换热器和室外换热器转换作为冷凝器或蒸发器的方式，一般采用四通阀，具体参考常规空调器的设置，在此不做赘述。

空调器的制冷工作原理是：压缩机工作使室内换热器（在室内机中，此时为蒸发器）内处于超低压状态，室内换热器内的液态冷媒迅速蒸发吸收热量，室内风机吹出的风经过室内换热器盘管降温后变为冷风吹到室内，蒸发汽化后的冷媒经压缩机加压后，在室外换热器（在室外机中，此时为冷凝器）中的高压环境下凝结为液态，释放出热量，通过室外风机，将热量散发到大气中，如此循环就达到了制冷效果。

空调器的制热工作原理是：气态冷媒被压缩机加压，成为高温高压气体，进入室内换热器（此时为冷凝器），冷凝液化放热，成为液体，同时将室内空气加热，从而达到提高室内温度的目的。液体冷媒经节流装置减压，进入室外换热器（此时为蒸发器），蒸发气化吸热，成为气体，同时吸取室外空气的热量（室外空气变得更冷)，成为气态冷媒，再次进入压缩机开始下一个循环。

如图1-8所示，本实施例的一种热泵空调系统，其包括压缩机1、控制阀3、室内换热器以及室外换热器。

压缩机1具有输出口101以及输入口102，压缩机1对从输入口102输入的冷媒进行压缩，并将压缩之后的冷媒从输出口101排出。

在本申请的一些实施例中，进一步的，压缩机1外连油分离器14，从压缩机1输出口101排出的高压蒸汽，进入到油分离器14中，油分离器14将高压蒸汽中的润滑油进行分离，以保证装置安全高效地运行。

控制阀3具有第一阀口31至第四阀口34，第一阀口31与控制阀3的第二阀口32或者第四阀口34连接，第二阀口32或者第四阀口34的另一阀口与第三阀口33连接，第一阀口31与压缩机1的输出口101连接，第三阀口33与压缩机1的输入口102连通。

室内换热器的第一端与控制阀3的第四阀口34相连；室外换热器的第一端与控制阀3的第二阀口32连接；

如图1所示，在制热状态下，第一阀口31与第四阀口34连通，第二阀口32与第三阀口33连通；将从压缩机1输出的冷媒通过第一阀口31、第四阀口34输送到室内换热器中，然后冷媒经过室外换热器后通过第二阀口32、第三阀口33流回到压缩机1中。

如图6所示，第二换热器5中分成了两个区域：液相部和气相部，在换热器做冷凝器的时候，冷媒将热量传递至高温空气的过程中，先后经历过热气体、气液两相、过冷液体三种形态.

如图2所示，在制冷状态下，第一阀口31与第二阀口32连通，第三阀口33与第四阀口34连通；从压缩机1输出的冷媒经过第一阀口31、第二阀口32输送到室外换热器中，然后经过室内换热器换热之后，经过第四阀口34、第三阀口33流回到压缩机1中，控制阀3可以根据实际需要接通不同的阀口，以便连通不同的管路。

室内换热器和/或室外换热器包括第一换热器8和第二换热器5，第二换热器5形成有液相部以及气相部，分别用于液态冷媒以及气态冷媒的热交换，第一换热器8用于气液两相混合冷媒的热交换。

第一换热器8和第二换热器5之间通过管路和开关阀串联在一起，针对冷媒的具体形态，通过开关阀的开关控制第一换热器8与第二换热器5液相部或者气相部的连接，实现最大的换热效率，提高空调的制冷或者制热效果。

如图7所示，是空调系统压力-比焓关系曲线示意图，在图中可以看出处于液相和气相饱和线之间的冷媒在第一换热器8内完成热交换，处于液相和气相饱和线外侧的制冷剂在第二换热器5内完成热交换。

在冷凝器工作过程中，过热气体先经过第二换热器5中的气相部，进行冷凝放热，之后形成气液两相，气液两相的冷凝器输送到第一换热器8中，在第一换热器8中继续冷凝放热，从第一换热器8输出的冷媒此时转变为液相，从第二换热器5的液相部输出。

在蒸发器工作过程中，冷媒从低温空气吸收热量的过程中，先后经历气液两相、气体二种形态，此过程中，流经蒸发器的冷媒由气液两相成为气相，冷媒从冷凝器输出后，先进入蒸发器中的第一换热器8，在第一换热器8中，冷媒蒸发吸热，形成气态，进行制冷过程。

具体而言，如图5所示，第二换热器5的气相部设置有气相进口51以及气相出口52，气相进口51与外管路连通，气相出口52与第一换热器8连通。

当冷媒为气态时，从外管路输入的冷媒从气相进口51输入到第二换热器5的气相部中，在气相部中转变成为气液两相，气液两相的冷媒从气相出口52输出到第一换热器8中，在第一换热器8中，冷媒继续换热，转换成液相，转变为液相之后的冷媒，再次进入到第二换热器5的液相部中。

第二换热器5的液相部设置有液相进口54以及液相出口53，液相进口54与第一换热器8的出口连通，液相出口53与外管路连通，从第一换热器8输出的气液两相的冷媒，从液相进口54输入到液相部中，在液相部的换热管道内换热后，从液相出口53输出后，经过控制阀3流回压缩机1中。

如图5所示，第一换热器8上形成有第一接口81和第二接口82，第一接口81与第二接口82根据实际的冷媒流向与第二换热器5或外接管连通，具体连接根据开关阀控制，下面将结合实例具体说明。

热泵空调系统中还设置有电子膨胀阀7、毛细管12、油分离器14、气管截止阀4、液管截止阀9等部件。

空调器制热过程中：

此时，室内机作为冷凝器，压缩机1输出的高温高压的冷媒经过油分离器14、毛细管12、控制阀3的第一阀口31、第四阀口34之后，经过气管截止阀4进入到室内换热器中，此时室内换热器作为冷凝器，高温高压的气态冷媒从第二换热器5的气相进口51进入到气相部，在气相部中冷凝放热后，冷媒由气相转换成气液两相，从气相出口52输出，从第一接口81进入到第一换热器8中，进行继续冷凝放热的过程，冷媒经过第一换热器8换热后，从气液两相转变为液相，液相冷媒从第二接口82输出，经过液相进口54进入到第二换热器5的液相部内，在液相部的管道内进一步冷凝放热，随后从液相出口53输出到外管路中，随后经过电子膨胀阀7、液管截止阀9、储液罐1110之后，进入到室外换热器中，由于此时的冷媒经过电子膨胀阀7等的作用，从原先的液相转变为气液两相，气液两相的冷媒，从外管路中直接进入到第一换热器8中，从第一换热器8的第二接口82输入，并在第一换热器8中蒸发吸热，从气液两相转变为气相，并从第一接口81输出，从第一接口81输出的气态冷媒直接进入到第二换热器5的液相区，从液相进口54进入到第二换热器5中，并继续蒸发吸热，然后从液相出口53输出，随后经过控制阀3的第二阀口32、第三阀口33后，经过气液分离器2的进一步作用最终输送回压缩机1中，完成整个制热过程。

空调器制冷过程中：

此时，室外机作为冷凝器，从压缩机1输出的高温高压的气态冷媒经过油分离器14、毛细管12、控制阀3的第一阀口31、第二阀口32后，从气相进口51进入到第二换热器5的气相部，在气相部，冷媒从气相转变为气液两相，并从气相出口52输出，从第一换热器8的第一接口81进入到第一换热器8中，在第一换热器8中，冷媒继续冷凝放热，从气液两相转为液相，并从第二接口82输出，从第一换热器8中输出的气液两相冷媒从液相进口54进入到第二换热器5的液相部内，继续冷凝放热，最后，液态冷媒从液相出口53输出到外管路，经过电子膨胀阀7、储液罐1110以及液管截止阀9的作用后转变为气液两相冷媒，进入到室内换热器中，室内换热器作为蒸发器，实现蒸发吸热制冷过程，冷媒从外管路中直接进入到室内换热器中的第一换热器8内，从第一换热器8的第二接口82输入，并在第一换热器8中蒸发吸热，从气液两相转变为气相，并从第一接口81输出，从第一接口81输出的气态冷媒直接进入到第二换热器5的液相区，从液相进口54进入到第二换热器5中，并继续蒸发吸热，然后从液相出口53输出，随后经过气管截止阀4、控制阀3的第二阀口32、第三阀口33后，经过气液分离器2的进一步作用最终输送回压缩机1中，完成整个制冷过程。

在第二换热器5的液相出口53设置有第一开关阀171，液相出口53与气相进口51之间设置有第二开关阀172，气相出口52与液相进口54之间设置有第三开关阀173，第一换热器8的第二接口82与液相进口54之间设置有第四开关阀174，第二接口82与外接管道之间设置有第五开关阀175。

不管是室内机还是室外机作为冷凝器，在换热器作为冷凝器的时候，如图3所示，第一换热器8与第二换热器5之间的开关阀的开关状态如下：第一开关阀171开；第二开关阀172关；第三开关阀173关；第四开关阀174开；第五开关阀175关。

在换热器作为蒸发器的时候，如图4所示，第一换热器8与第二换热器5之间的开关阀的开关状态如下：第一开关阀171关；第二开关阀172开；第三开关阀173开；第四开关阀174关；第五开关阀175开。

当第二换热器5内形成有多个流路的时候，冷媒从外管路进入到第二换热器5之前，首选需要进行分流，优选的，在气管与气相进口51之间形成有分气管16。

当第一换热器8内形成有多个流路的时候，冷媒在从外管路直接进入的时候，也需要进行分流，优选的，液管与第二接口82之间形成有分流器15。

进一步的，在冷媒输送回压缩机1之前的管路上设置有气液分离器2，气液分离器2具有第一出口以及进口，控制阀3的第三阀口33连接气液分离器2的进口，然后通过第一出口与压缩机1的输入口102连接。

第一换热器8和第二换热器5具有不同的控制模式，包括送风状态参数、冷媒状态参数。

在本申请的一些实施例中，为了及时的调整和检测冷媒的状态，第一换热器8的第一接口81、第二接口82以及第二换热器5的液相进口54、液相出口53处均设置有检测部13，以监测空气和制冷剂的状态并将数据传递给控制器，以便更好的设置冷媒的控制逻辑，具体控制过程为现有技术，并不是本申请的设计重点，在此不做赘述。

除此之外，第一换热器8以及第二换热器5可以分别通过一台风机6单独控制其风量也可以共用一台风机6，在共用一台风机6的时候第一换热器8和第二换热器5之间形成有独立的风道。

第一换热器8类型可以是翅片管换热器、板式换热器、套管换热器、微通道换热器或者其它形式，第二换热器5的结构特征区别于主换热器，包括肋片、换热管、流路结构等，在此并不对换热器的具体结构做限定。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种热泵空调系统，其特征在于，包括：

压缩机，所述压缩机具有输出口以及输入口；

控制阀，所述控制阀具有第一阀口至第四阀口，所述第一阀口与所述控制阀的第二阀口或者第四阀口连接，所述第二阀口或者所述第四阀口的另一阀口与第三阀口连接，所述第一阀口与所述压缩机的输出口连接，所述第三阀口与所述压缩机的输入口连通；

室内换热器，所述室内换热器的第一端与所述控制阀的第四阀口相连；

室外换热器，所述室外换热器的第一端与所述控制阀的第二阀口连接；

所述室内换热器和/或所述室外换热器包括第一换热器和第二换热器，所述第一换热器用于气液两相混合制冷剂的热交换，所述第二换热器用于气态或液态单相制冷剂的热交换，所述第二换热器形成有液相部以及气相部，分别用于液态制冷剂以及气态制冷剂的热交换；

所述第二换热器的气相部设置有气相进口以及气相出口，外管路中的冷媒通过气相进口输送到气相部内，并经过气相出口排出；

所述第二换热器的液相部设置有液相进口以及液相出口，所述液相进口与所述第一换热器连通，所述液相出口与外管路连通，从第一换热器输出的冷媒从液相进口输送到第二换热器中，然后经过液相出口输出到外管路中。

2.根据权利要求1所涉及的热泵空调系统，其特征在于，

所述第一换热器上形成有第一接口和第二接口，所述第一接口与所述第二换热器或外管路连通，所述第二接口与所述外管路或所述第二换热器连通。

3.根据权利要求2所涉及的热泵空调系统，其特征在于，

所述第二换热器内形成有多个流路，所述气相进口处形成有分气管。

4.根据权利要求2所涉及的热泵空调系统，其特征在于，

所述第一换热器内形成有多个流路，所述第二接口处形成有分流器。

5.根据权利要求2所涉及的热泵空调系统，其特征在于，

所述第二换热器中气相部内换热管直径大于所述液相部内换热管直径，所述控制阀为四通阀。

6.根据权利要求1所涉及的热泵空调系统，其特征在于，还包括：

气液分离器，所述气液分离器具有第一出口以及进口，所述控制阀的第三阀口连接气液分离器的进口，然后通过所述第一出口与所述压缩机的输入口连接。

7.根据权利要求2所涉及的热泵空调系统，其特征在于，

所述第一换热器的第一接口、第二接口以及所述第二换热器的气相进口、液相出口处均设置有检测部，用于检测流经该处的制冷剂数据。

8.根据权利要求1所涉及的热泵空调系统，其特征在于，

所述第一换热器以及第二换热器通过管路以及多个开关阀串联连接，所述第一换热器以及所述第二换热器分别通过一台风机单独控制其风量。

9.根据权利要求1所涉及的热泵空调系统，其特征在于，

所述第一换热器以及第二换热器共用一台风机，所述风机与所述第一换热器和所述第二换热器之间形成有独立的风道。

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