CN113725519A - 一种具有除湿功能的液冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有除湿功能的液冷系统，所述液冷系统包括制冷剂主回路单元和加热冷却循环单元，其中，所述制冷剂主回路单元包括依次且循环连接的压缩机、第一换热器、节流阀和第二换热器，所述液冷系统包括除湿单元，所述除湿单元作为所述制冷剂主回路单元的支路，且分别与节流阀的出口以及压缩机的入口连接。本发明具有系统集成度高，整体能效高，系统可灵活配置，成本低的综合优势。

Description

一种具有除湿功能的液冷系统

技术领域

本发明涉及新能源储能系统领域，具体涉及一种具有除湿功能的液冷系统。

背景技术

电池系统密度大、产热集中，如果产生的热量不能及时排出，电池系统寿命会降低、发生热失控甚至爆炸。在低温环境下，如不对储能电池进行加热，则会发生电池系统充放电性能变差、寿命加速衰减、甚至引发析锂等问题。电池系统所处的环境湿度过大也容易导致电器部件出现腐蚀，失效甚至安全事故。所以，电池系统的环控系统需要包含冷却、制热及除湿三方面的功能。

中国专利CN111769299A公开了一种带除湿功能的电池热管理系统及除湿方法。该热管理系统用于对储能电池进行冷却、制热或除湿处理，其包括压缩机、第一换热器、第二换热器、第三换热器、第四换热器及空气驱动单元，在第一状态下，空气驱动单元用以驱动待除湿空气依次通过第三换热器和第四换热器，在第二状态下，空气驱动单元用以驱动待除湿空气依次通过第四换热器和第三换热器。在该专利的制冷模式下，通过换热器的制冷剂为低温低压状态；在空气驱动单元的驱动作用下，储能电池集装箱中的带除湿空气与换热器接触，携带的水份在制冷剂的吸热作用下凝结析出，达到除湿效果。然后，除湿后的空气继续与第四换热器接触，因冷却水在换热器中吸收了高温高压气态制冷剂的热量，吸热后的冷却水进入换热器中使其转化为空气加热器，除湿后的空气在其作用下回温。以上过程循环，达到制冷除湿的功能。在制热模式下，自换热器的流通口出来的温度较低的冷却水中的一部分会进入与冷却塔并联设置的换热器中。此时，换热器充当除湿蒸发的作用。在空气驱动单元的驱动作用下，储能电池集装箱中的带除湿空气先与换热器进行热交换，空气携带的水份在低温冷却水的作用下凝结析出，达到除湿效果，除湿后的空气继续与换热器接触，在其制冷剂的放热作用下回温。以上过程循环，达到制热除湿的功能。但是，该技术方案存在以下缺陷：(1)系统复杂，应用范围受限；(2)增加的换热回路会降低系统的热效率；(3)旋转部件的增加提高了系统的复杂度，降低了系统的可靠性；(4)该系统的冷凝水处理难度更高；(5)系统无法灵活配置，必须同时具备第三换热器和第四换热器。

因此，本领域急需一种结构简单、整体能效高、可灵活配置、成本低的具有除湿功能的液冷系统。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种具有除湿功能的液冷系统。

为了实现本发明之目的，本申请提供以下技术方案。

在第一方面中，本申请提供一种具有除湿功能的液冷系统，所述液冷系统包括制冷剂主回路单元和加热冷却循环单元，其中，所述制冷剂主回路单元包括依次且循环连接的压缩机、第一换热器、节流阀和第二换热器，其特征在于，所述液冷系统包括除湿单元，所述除湿单元作为所述制冷剂主回路单元的支路，且分别与节流阀的出口以及压缩机的入口连接。在本申请中，所述第一换热器为风冷热交换器或者板式热交换器。

在第一方面的一种实施方式中，所述除湿单元包括第三换热器和第一阀门，所述第三换热器的两端分别与节流阀的出口以及压缩机的入口连接，所述第一阀门设置在第三换热器的入口处或出口处。

在第一方面的一种实施方式中，所述节流阀包括第一节流阀，所述第三换热器的入口与第一节流阀的出口连接。

在第一方面的一种实施方式中，所述节流阀包括并联设置的第一节流阀和第二节流阀，所述第三换热器的入口分成两路，其中一路与第二节流阀的出口连接，并在连接管路上设置第二阀门，另外一路与第一节流阀的出口连接，并在连接管路上设置第一阀门，所述第三换热器的出口与所述压缩机的入口连接。

在第一方面的一种实施方式中，所述除湿单元包括第四换热器，所述第四换热器的一端与所述压缩机的出口连通，所述第四换热器的另一端分成两路，其中一路与所述第一节流阀的入口连接，另外一路与所述第二节流阀的入口连接。

在第一方面的一种实施方式中，所述第四换热器与第一节流阀入口的连接管路上设置第三阀门；所述第四换热器与第二节流阀入口的连接管路上设置第四阀门。

在第一方面的一种实施方式中，所述液冷系统设有四通阀，所述四通阀的第一连接口与压缩机的出口连接，所述四通阀的第二连接口与第一换热器的一端连接，所述四通阀的第三连接口与第二换热器的一端连接；所述四通阀的第四连接口与压缩机的入口连接。

在第一方面的一种实施方式中，所述加热冷却循环单元包括循环连接的第二换热器、加热器、水泵和热交换板单元，所述第二换热器的热源管路连接在所述加热冷却循环单元中。

在第一方面的一种实施方式中，所述加热冷却循环单元中设有水箱，所述水箱设有加液口。

在第一方面的一种实施方式中，所述除湿单元和热交换板单元安装在同一个或不同的目标环控系统内；且安装有所述除湿单元的所述目标环控系统内设有空气驱动单元，所述空气驱动单元用于驱动所述目标环控系统内的空气循环流动。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的系统兼具制冷，制热，和制冷除湿的功能，特别适用于大规模的新能源储能系统；相比于传统的液冷系统(具备制冷功能和PTC加热功能)，仅增加一条支路，一个蒸发器，及一个空气驱动单元即可实现系统的除湿功能。因而本发明具有系统集成度高，整体能效高，配置灵活，成本低的综合优势。

附图说明

图1为传统的液冷系统结构示意图；

图2为实施例1中热泵空调系统的结构示意图；

图3为实施例2中热泵空调系统的结构示意图；

图4为实施例3中热泵空调系统处于制冷除湿模式下的结构示意图；

图5为实施例3中热泵空调系统处于制热除湿模式下的结构示意图。

在附图中，10为压缩机，11为第一阀门，12为第二阀门，13为第三阀门，14为第四阀门，20为第一换热器，21为第一节流阀，22为第二节流阀，40为第二换热器，31为第一空气驱动单元，32为第二空气驱动单元，51为水箱，52为PTC加热器，53为水泵，60为第四换热器，70为四通阀，701为第一连接口，702为第二连接口，703为第三连接口，704为第四连接口，81为目标环控系统，80#N为热交换板单元，90为第三换热器，100为除湿箱。

具体实施方式

除非另作定义，在本说明书和权利要求书中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中列举的所有的从最低值到最高值之间的数值，是指当最低值和最高值之间相差两个单位以上时，最低值与最高值之间以一个单位为增量得到的所有数值。

以下将结合附图描述本发明的具体实施方式，需要指出的是，在这些实施方式的具体描述过程中，为了进行简明扼要的描述，本说明书不可能对实际的实施方式的所有特征均作详尽的描述。在不偏离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以对本发明的实施方式进行修改和替换，所得实施方式也在本发明的保护范围之内。

传统的液冷系统结构如图1所示，包括如下部件：压缩机10、第一换热器20、第一节流阀21、第二换热器40、水箱51、PTC加热器52、水泵53、热交换板单元80#N(包括热交换板单元80#1、热交换板单元80#2，…，热交换板单元80#N)、目标环控系统81(如电池箱等)、第一空气驱动单元31。

其中，压缩机10具有制冷剂进口和制冷剂出口，第一换热器20具有第一流通口和第二流通口，第二换热器40具有第一流通口、第二流通口、第三流通口和第四流通口，第二换热器40的第一流通口和第二流通口之间通以制冷剂，作为第二换热器40的冷源管路；第三流通口和第四流通口之间通以高温制冷剂，作为热源管路。压缩机10的制冷剂出口连接第一换热器20的第一流通口，第一换热器20的第二流通口连通第一节流阀21的入口，第一节流阀21的出口连接第二换热器40的第一流通口，第二换热器40的第二流通口连接压缩机10的制冷剂入口。第二换热器40的第四流通口依次连接水箱51、PTC加热器52和水泵53，然后连接热交换板单元80#N，最后循环连接第二换热器40的第三流通口。

传统液冷系统无法实现对目标环控系统81的除湿管理，因而实际系统会存在系统湿度大，在目标环控系统81内部产生大量冷凝水的问题，对于高压电器件产生安全隐患。

实施例

下面将结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种具有除湿功能的液冷系统，其结构如图2所示，包括如下部件：压缩机10、第一换热器20、第一节流阀21、第二换热器40、水箱51、PTC加热器52、水泵53、热交换板单元80#N(包括热交换板单元80#1、热交换板单元80#2，…，热交换板单元80#N)、目标环控系统81(如电池箱等)、第一空气驱动单元31、除湿箱100、第三换热器90以及第二空气驱动单元32。

其中，压缩机10具有制冷剂进口和制冷剂出口，第一换热器20具有第一流通口和第二流通口，第二换热器40具有第一流通口、第二流通口、第三流通口和第四流通口，第二换热器40的第一流通口和第二流通口之间通以冷却液，作为第二换热器40的冷源管路；第三流通口和第四流通口之间通以高温冷却液，作为热源管路。压缩机10的制冷剂出口连接第一换热器20的第一流通口，第一换热器20的第二流通口连通第一节流阀21的入口，第一节流阀21的出口连接第二换热器40的第一流通口，第二换热器40的第二流通口连接压缩机10的制冷剂入口。第二换热器40的第四流通口依次连接水箱51、PTC加热器52和水泵53，然后连接热交换板单元80#N，最后循环连接第二换热器40的第三流通口。除湿箱100设置在目标环控系统81内，且除湿箱100内设有第三换热器90和第二空气驱动单元32，第三换热器90的一端与第一节流阀21的出口连接，第三换热器90的另一端与压缩机10的制冷剂入口连接。第二空气驱动单元32可以驱动目标环控系统81内的空气做循环流动。

本系统的工作原理如下：

制冷剂主回路：压缩机10→第一换热器20→节流阀21→第二换热器40→压缩机10；

制冷剂除湿回路：压缩机10→第一换热器20→节流阀21→第三换热器90→压缩机10；

冷却液回路：水泵53→热交换板单元80#N→第二换热器40→水箱51→PTC加热器52→水泵53。

(1)制冷功能：

制冷剂经压缩机10压缩至高温高压气态，进入第一换热器20，通过与第一空气驱动单元31吹出的冷空气进行换热，制冷剂转变为低温高压的液态，进一步，经过节流阀21，变为低温低压的气液混合态。低温低压的制冷剂进入第二换热器40，与冷却液回路的冷却液进行热交换，实现对目标环控系统81的冷却。

(2)除湿功能：

除湿回路蒸发器的冷量从制冷剂主回路引出，具体的，经过节流阀21的低温低压的制冷剂，流入第三换热器90，此时，在空气驱动单元32的作用下，目标环控系统81环境中的水蒸气，在经过第三换热器90之后冷凝下来，并收集在除湿箱100内，进而实现对目标环控系统81的除湿作用。

(3)制热功能：

制热功能下，制冷剂主回路处于待机状态，靠PTC加热器52对冷却液回路进行加热，实现对目标环控系统81的加热效果。

实施例2

一种具有除湿功能的液冷系统，其结构如图3所示，其大致与实施例1相同，不同之处在于：在第三换热器90的入口处设置第一阀门11。

对于目标环控系统81，本身具有一定的IP等级，因而实际使用通常不需要进行实时的除湿，除湿一次可以保持系统的湿度相当一段时间。依次本实施例相比于实施例1，增加第一阀门11，可通过第一阀门11控制除湿的开启时段，可进一步提高系统能效。

实施例3

一种具有除湿功能的液冷系统，其结构如图4、图5所示，包括如下部件：

压缩机10、四通阀70、第一换热器20、第一节流阀21、第二节流阀22、第二换热器40、水箱51、PTC加热器52、水泵53、热交换板单元80#2，…，热交换板单元80#N)、目标环控系统81(如电池箱等)、第一阀门11、第二阀门12、第三阀门13、第四阀门14、第三换热器90、第四换热器60、第一空气驱动单元31，空气驱动单元32及除湿箱100。

压缩机10的出口连接四通阀70的第一连接口701，四通阀70的第二连接口702连接第一换热器20的一端，第一换热器20的另一端分成三路，第一路连接第一节流阀21的一端，第二路连接第二节流阀22的一端。

第一节流阀21的一端分成两路，其中一路连接第一换热器20，另外一路连接第三换热器90的一端，并在连接管路上设置第一阀门11。第一节流阀21的另一端也分成两路，第一路与第二换热器40的冷源管路的一端连接，另一路与第四换热器60的一端连接，且在该连接管路上设置第三阀门13。

第二节流阀22的一端分成两路，第一路连接第一换热器20，另外一路连接第四换热器60的一端，并在连接管路上设置第四阀门14，第二节流阀22的另一端也分成两路，第一路与第二换热器40的冷源管路的一端连接，另一路连接第三换热器90的一端，并在连接管路上设置第二阀门12。

第二换热器40的冷源管路的另一端与四通阀70的第三连接口703连接，四通阀70的第四连接口704与压缩机10的入口连接。第二换热器40的热源管路依次循环连接水箱51、PTC加热器52、水泵53以及热交换板单元80#N。

第三换热器90的另一端与压缩机10的入口连接。

第四换热器60的一端与压缩机10的出口连接，第四换热器60的另一端分成两路，第一路与第一节流阀21的一端连接，并在连接管路上设置第三阀门13；另一路与第二节流阀22的一端连接，并在连接管路上设置第四阀门14。

在本实施例中，第三换热器90和第四换热器60均设置在除湿箱100内，除湿箱100内还设有空气驱动单元32，该空气驱动单元32用于驱动目标环控系统81内的空气做循环流动。第一换热器20配有一个第一空气驱动单元31，用以对第一换热器20内的冷却液进行降温。

本实施例的热泵空调系统具有制冷除湿模式和制热除湿模式两种，其结构分别如图4、图5所示，具体原理如下：

制冷除湿模式：

阀门状态：第一阀门11关闭，第二阀门12打开，第三阀门13关闭，第四阀门14打开。

制冷剂主回路：压缩机10→四通阀70的第一连接口701→四通阀70的第二连接口702→第一换热器20→第二节流阀22→第二换热器40→四通阀70的第三连接口703→四通阀70的第四连接口704→压缩机10。

制冷剂除湿蒸发器回路：压缩机10→四通阀70的第一连接口701→四通阀70的第二连接口702→第一换热器20→第二节流阀22→第二阀门12→第三换热器90→压缩机10。

制冷剂除湿冷凝器回路：压缩机10→第四换热器60→第四阀门14→第二节流阀22→第二换热器40→四通阀70的第三连接口703→四通阀70的第四连接口704→压缩机10。

冷却液回路：水泵53→热交换板单元80#N→第二换热器40→水箱51→PTC加热器52→水泵53。

制冷除湿模式工作原理：

制冷剂经压缩机10压缩至高温高压气态，从第一连接口701进入四通阀70，通过第二连接口702，然后进入第一换热器20，通过与第一空气驱动单元31带来的空气进行换热，制冷剂转变为低温高压的液态，进一步，经过第二节流阀22，变为低温低压的气液混合态。低温低压的制冷剂进入第二换热器40，与冷却液回路的冷却液进行热交换，实现对目标环控系统81的冷却，冷却液变为低温低压气态，然后经过第三连接口703进入四通阀70，通过第四连接口704流出，回到压缩机10。如此循环往复，实现对目标环控系统的冷却。

除湿蒸发器工作原理：

制冷剂经压缩机10压缩至高温高压气态，从第一连接口701进入四通阀70，通过第二连接口702，然后进入第一换热器20，通过与第一空气驱动单元31带来的空气进行换热，制冷剂转变为低温高压的液态，进一步，经过第二节流阀22，变为低温低压的气液混合态。低温低压的制冷剂经过第二阀门12后进入第三换热器90，形成除湿器的冷端，在空气驱动单元32的作用下，空气中的水份在第三换热器90处实现冷凝，制冷剂变为低温低压气态，流出第三换热器90后，回到压缩机。如此循环往复，实现对第三换热器的湿度控制。

除湿冷凝器工作原理：

制冷剂经压缩机10压缩至高温高压气态，部分高温高压的气态制冷剂直接进入第四换热器60，在空气驱动单元32的作用下，将通过第三换热器90的冷空气进行加热，此时，第四换热器60内的制冷剂降温，然后依次经过第四阀门14和第二节流阀22，变为低温低压的气液混合态。低温低压的制冷剂经过进入第二换热器40，然后经过第三连接口703进入四通阀70，通过第四连接口704流出，回到压缩机10。如此循环往复，实现对冷凝后的空气加热。

制热除湿模式：

阀门状态：第一阀门11打开，第二阀门12关闭，第三阀门13打开，第四阀门14关闭。

制冷剂主回路：压缩机10→四通阀70的第一连接口701→四通阀70的第三连接口703→第二换热器40→第一节流阀21→第一换热器20→四通阀70的第二连接口702→四通阀70的第四连接口704→压缩机10。

制冷剂除湿蒸发器回路：压缩机10→四通阀70的第一连接口701→四通阀70的第三连接口703→第二换热器20→第一节流阀21→第一阀门61→第三换热器90→压缩机10。

制冷剂除湿冷凝器回路：压缩机10→第四换热器60→第三阀门13→第一节流阀21→第一换热器20→四通阀70的第二连接口702→四通阀70的第四连接口704→压缩机10。

冷却液回路：水泵53→热交换板单元80#N→第二换热器40→水箱51→PTC加热器52→水泵53。

制热除湿模式工作原理：

制冷剂经压缩机10压缩至高温高压气态，经第一连接口701进入四通阀70，通过第三连接口703，进入第二换热器40，与冷却液回路的冷却液进行热交换，实现对目标环控系统81的加热，冷却后的制冷剂变为高压低温液态，流出第二换热器40，并进入第一节流阀21，变为低温低压的气液混合态。低温低压的制冷剂经过进入第一换热器20，与第一空气驱动单元31带来的空气进行换热，实现从环温吸热的作用，变为低温低压气态，然后通过第二连接口702进入四通阀70，通过第四连接口704流出，回到压缩机10。如此循环往复，实现对目标环控系统81的加热。

除湿蒸发器工作原理：

制冷剂经压缩机10压缩至高温高压气态，经第一连接口701进入四通阀70，通过第三连接口703，进入第二换热器40，与冷却液回路的冷却液进行热交换，实现对目标环控系统81的加热，冷却后的制冷剂变为高压低温液态，流出第二换热器40，并进入第一节流阀21，变为低温低压的气液混合态。部分低温低压的制冷剂经过第一阀门11后进入第三换热器90，形成除湿器的冷端，在空气驱动单元32的作用下，目标环控系统81内空气中的水份在第三换热器90处实现冷凝，制冷剂从第三换热器90流出后回到压缩机。如此循环往复，实现对第三换热器的温度控制。

除湿冷凝器工作原理：

制冷剂经压缩机10压缩至高温高压气态，部分高温高压的气态制冷剂直接进入第四换热器60，在空气驱动单元32的作用下，将通过第三换热器90的空气进行加热，此时，第四换热器60内的制冷剂降温，变为高压低温的液态，然后依次经过第三阀门13和第一节流阀21，变为低温低压的气液混合态。低温低压的制冷剂进入第一换热器20，与第一空气驱动单元31带来的空气进行换热，实现从环温吸热的作用，然后通过第二连接口702进入四通阀70，通过第四连接口704流出，回到压缩机10。如此循环往复，实现对冷凝后的空气加热。

上述对实施例的描述是为了便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本申请。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必付出创造性的劳动。因此，本申请不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本申请披露的内容，在不脱离本申请范围和精神的情况下做出的改进和修改都在本申请的范围之内。

Claims (10)

1.一种具有除湿功能的液冷系统，所述液冷系统包括制冷剂主回路单元和加热冷却循环单元，其中，所述制冷剂主回路单元包括依次且循环连接的压缩机、第一换热器、节流阀和第二换热器，其特征在于，所述液冷系统包括除湿单元，所述除湿单元作为所述制冷剂主回路单元的支路，且分别与节流阀的出口以及压缩机的入口连接。

2.如权利要求1所述的具有除湿功能的液冷系统，其特征在于，所述除湿单元包括第三换热器和第一阀门，所述第三换热器的两端分别与节流阀的出口以及压缩机的入口连接，所述第一阀门设置在第三换热器的入口处或出口处。

3.如权利要求2所述的具有除湿功能的液冷系统，其特征在于，所述节流阀包括第一节流阀，所述第三换热器的入口与第一节流阀的出口连接。

4.如权利要求2所述的具有除湿功能的液冷系统，其特征在于，所述节流阀包括并联设置的第一节流阀和第二节流阀，所述第三换热器的入口分成两路，其中一路与第二节流阀的出口连接，并在连接管路上设置第二阀门，另外一路与第一节流阀的出口连接，并在连接管路上设置第一阀门，所述第三换热器的出口与所述压缩机的入口连接。

5.如权利要求4所述的具有除湿功能的液冷系统，其特征在于，所述除湿单元包括第四换热器，所述第四换热器的一端与所述压缩机的出口连通，所述第四换热器的另一端分成两路，其中一路与所述第一节流阀的入口连接，另外一路与所述第二节流阀的入口连接。

6.如权利要求5所述的具有除湿功能的液冷系统，其特征在于，所述第四换热器与第一节流阀入口的连接管路上设置第三阀门；所述第四换热器与第二节流阀入口的连接管路上设置第四阀门。

7.如权利要求5所述的具有除湿功能的液冷系统，其特征在于，所述液冷系统设有四通阀，所述四通阀的第一连接口与压缩机的出口连接，所述四通阀的第二连接口与第一换热器的一端连接，所述四通阀的第三连接口与第二换热器的一端连接；所述四通阀的第四连接口与压缩机的入口连接。

8.如权利要求1～7任一所述的具有除湿功能的液冷系统，其特征在于，所述加热冷却循环单元包括循环连接的第二换热器、加热器、水泵和热交换板单元，所述第二换热器的热源管路连接在所述加热冷却循环单元中。

9.如权利要求8所述的具有除湿功能的液冷系统，其特征在于，所述加热冷却循环单元中设有水箱，所述水箱设有加液口。

10.如权利要求8所述的具有除湿功能的液冷系统，其特征在于，所述除湿单元和热交换板单元安装在同一个或不同的目标环控系统内；

且安装有所述除湿单元的所述目标环控系统内设有空气驱动单元，所述空气驱动单元用于驱动所述目标环控系统内的空气循环流动。

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