CN113978734B - 一种综合热泵型空调系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种综合热泵型空调系统，包括：滑油‑制冷剂换热器(4)电动调节活门(7)、滑油电磁阀(8)、滑油阻力管(9)、第二电子膨胀阀(11)、第二制冷剂电磁阀(12)和制冷剂回路；滑油‑制冷剂换热器(4)和滑油阻力管(9)并联设置在滑油系统中的滑油温控活门(18)的输出端处；电动调节活门(7)和滑油电磁阀(8)分别设置在滑油通路的两端；滑油‑制冷剂换热器(4)的制冷剂通路通过第二电子膨胀阀(11)和第二制冷剂电磁阀(12)，并联设置在舱外散热器(5)的两端；当空调系统工作在加温模式下时，电动调节活门(7)、滑油电磁阀(8)、第二电子膨胀阀(11)和第二制冷剂电磁阀(12)打开。

Description

一种综合热泵型空调系统
技术领域
本发明属于直升机环控系统设计技术领域，具体涉及一种综合热泵型空调系统。
背景技术
目前直升机空调系统一般包括空气循环和蒸发循环两种方式。如直升机空调系统采用空气循环，则需耗费大量发动机热引气，减小了发动机轴功率输出；同时，直升机速度较慢，空气循环的利用效率较低。
而蒸发循环系统以舱外环境大气为热沉，其加温功能受到环境温度的限制。一般情况下，蒸发循环系统仅能够在环境温度高于-15℃时工作，而当前直升机要求满足全疆域使用，环境温度跨度大，直升机的使用环境温度最低达-45℃，普通的蒸发循环系统远远无法满足加温需求，只具备制冷功能。
现有直升机空调系统存在制热效果差的问题。
发明内容
本发明提供一种综合热泵型空调系统，解决现有直升机空调系统存在制热效果差的问题。
本发明一种综合热泵型空调系统，包括：滑油-制冷剂换热器4电动调节活门7、滑油电磁阀8、滑油阻力管9、第二电子膨胀阀11、第二制冷剂电磁阀12和制冷剂回路；其中，
所述滑油-制冷剂换热器4的滑油通路和所述滑油阻力管9并联设置，作为直升机滑油系统的一段管路，并设置在滑油系统中的滑油温控活门18的输出端处；
所述电动调节活门7和所述滑油电磁阀8分别设置在所述滑油通路的两端；
所述滑油-制冷剂换热器4的制冷剂通路通过第二电子膨胀阀11和第二制冷剂电磁阀12，并联设置在直升机制冷剂回路的舱外散热器5的两端；
当空调系统工作在加温模式下时，所述电动调节活门7、所述滑油电磁阀8、第二电子膨胀阀11和第二制冷剂电磁阀12打开。
可选的，所述滑油-制冷剂换热器4的滑油通路和所述滑油阻力管9的阻力值一致。
可选的，还包括：进口温度传感器15；
所述进口温度传感器15设置在所述滑油-制冷剂换热器4的滑油通路的入口处；
所述进口温度传感器15用于根据滑油温度调节电动调节活门7的开口大小。
可选的，还包括：进口压力传感器13；
所述进口压力传感器13设置在所述滑油-制冷剂换热器4的滑油通路的入口处；
所述进口压力传感器13用于在检测到入口滑油压力过高时，关闭电动调节活门7和所述滑油电磁阀8。
可选的，还包括：出口压力传感器14；所述出口压力传感器14设置在所述滑油-制冷剂换热器4的滑油通路的出口处；
所述出口压力传感器14感知滑油-制冷剂换热器4内部存留滑油压力过高时，关闭电动调节活门7和所述滑油电磁阀8。
进口压力传感器13、出口压力传感器14感知滑油-制冷剂换热器4进、出口的压力，当两者之间压差超过一定范围时，关闭电动调节活门7和所述滑油电磁阀8。
可选的，所述舱外散热器5布置在滑油系统中的滑油散热器16的上风向，与滑油散热器16共用滑油冷却风扇17。
可选的，所述制冷剂回路包括：舱内散热器组件2、第一电子膨胀阀3、四通换向阀6和第一制冷剂电磁阀10；
所述第一电子膨胀阀3与所述舱内散热器组件2连接，用于控制压缩机1入口处过热度；
所述第一制冷剂电磁阀10设置在第一电子膨胀阀3和舱外散热器5之间的制冷剂通路上，所述第二制冷剂电磁阀12设置在滑油-制冷剂换热器4和四通换向阀6之间的制冷剂通路上；
当空调系统工作在制冷模式下，第一制冷剂电磁阀10打开，第二制冷剂电磁阀12关闭，制冷剂进入舱外换热器5进行换热；
当空调系统工作在加温模式下，第一制冷剂电磁阀10关闭，第二制冷剂电磁阀12打开，制冷剂进入滑油-制冷剂换热器4进行换热。
可选的，所述第二电子膨胀阀11设置在第一电子膨胀阀3与滑油-制冷剂换热器4之间的制冷剂通路上，并且靠近滑油-制冷剂换热器4的入口设置，用于控制压缩机1入口处过热度。
本发明采用的热泵系统可以实现加温、制冷两种功能，具备以下优点：取消发动机引气，节省了引气加温系统的重量；利用滑油系统的废热为座舱加热，实现了废热源的有效利用；采用滑油-制冷剂换热器，吸收滑油热量为座舱加温，而不是通过舱外换热器吸收环境大气的热量，因此系统的加温功能不受环境大气温度的限制，扩大了热泵系统加温功能的使用温度范围，在极寒气候下仍能进行座舱加温；系统利用了滑油冷却风扇，减少了冷却风机，提高系统功重比；系统与滑油系统集成，在滑油系统的不同工况下均可平稳运转，同时对滑油冷却系统增加的流阻较小，且可感知滑油超压、泄漏情况，及时切断引入换热器的滑油，具有较高的安全性。制冷、加温工作模式下采用不同的电子膨胀阀调节压缩机过热度，调节精度较高。
附图说明
图1是本发明提供的直升机综合热泵型空调系统的结构示意图一；
图2是本发明提供的直升机综合热泵型空调系统的结构示意图二；
附图标记说明：
1—压缩机；               2—舱内散热器组件；
3—第一电子膨胀阀；       4—滑油-制冷剂换热器；
5—舱外散热器；           6—四通换向阀；
7—电动调节活门；         8—滑油电磁阀；
9—滑油阻力管；           10—第一制冷剂电磁阀；
11—第二电子膨胀阀；      12—第二制冷剂电磁阀；
13—入口压力传感器；      14—出口压力传感器；
15—入口温度传感器；      16—滑油散热器；
17—滑油冷却风扇；        18—滑油温控活门。
具体实施方式
下面结合附图对本发明提供的直升机综合热泵型空调系统进行解释说明。
本发明考虑到直升机滑油系统需要散发大量热量，通过滑油散热器和滑油冷却风扇排放到环境大气中，一些大型直升机主减滑油系统散发的热量可达几百千瓦。因此可利用机上滑油废热作为蒸发循环系统热源，为座舱加热，拓展蒸发循环系统的使用范围，减少发动机引气，对机上热能进行管理和调度，动态重构系统功能。
本发明提供的综合热泵型空调系统见图1和图2，图1为制冷模式，图2为热泵模式。如图1和2所示，本发明提出了一种综合热泵型空调系统，包括：制冷剂回路和滑油回路。其中，
制冷剂回路包括：一台压缩机1、一套舱内散热器组件2、第一电子膨胀阀3、第二电子膨胀阀11、一台滑油-制冷剂散热器组件4和一台舱外散热器组件5、一个四通换向阀6、第一制冷剂电磁阀10、第二制冷剂电磁阀12,各组件通过制冷剂管路连成回路。
滑油回路包括：电动调节活门7、滑油电磁阀8、滑油阻力管9、进口压力传感器13、出口压力传感器14、进口温度传感器15、滑油散热器16和滑油温控活门18，各组件通过滑油管路连接到直升机滑油冷却系统。滑油回路以滑油散热器16为分界点，分为冷滑油回路和热滑油回路。
滑油-制冷剂换热器4布置在滑油温控活门18之后的冷滑油回路中。滑油温控活门18用于根据滑油温度调节进入滑油散热器16的流量，在滑油温度较低时，将滑油直接输出，不流经滑油散热器16，避免滑油经滑油散热器16散热后过冷而低于低温限制值，滑油温度越高，则流向滑油散热器16的流量越大。因此处于冷滑油回路中的滑油-制冷剂换热器4的入口温度适宜、变化范围小。
考虑到直升机主减滑油系统散发的热量可达几百千瓦，空调系统的制热所需能量远小于直升机主减滑油系统散发的热量，且若滑油-制冷剂换热器4故障，则可能影响直升机主减滑油系统的正常运行，因此，本发明在冷滑油回路中采用一段滑油阻力管9，该阻力管与滑油-制冷剂换热器4为并联方式，二者流阻相同，在正常工作时，滑油阻力管9和滑油-制冷剂换热器4中同时有滑油流过。
这样，一方面确保滑油-制冷剂换热器4故障时，直升机主减滑油系统仍能正常运行，另一方面可根据空调系统需求，调节从直升机主减滑油系统获取的热量，再一方面，并联的方式，可以使得整个滑油回路中的滑油流阻增加较小。
进一步的，滑油-制冷剂换热器4进口处设置一个电动调节活门7、进口温度传感器15、进口压力传感器13。进口温度传感器15感受到滑油温度变化时，电动调节活门7可以调节进入滑油-制冷剂换热器4的滑油流量。电动调节活门7的设计标准工况可按照滑油的最低温度进行设计，当滑油温度提高时，可通过电动调节活门7减少滑油流量，如此，保证蒸发循环系统的平稳运转。同时进口压力传感器13感受到滑油压力过高时，电动调节活门7关闭，滑油全部从滑油阻力管9中通过，保证滑油系统和热泵系统的安全。
在滑油-制冷剂换热器4出口端设置出口压力传感器14和滑油电磁阀8。出口压力传感器14感知换热器4内部存留滑油压力，若制冷剂出现泄漏，流入滑油-制冷剂换热器4的滑油中，制冷剂会由于受到滑油温度的影响，升高压力，致使换热器4内部的滑油压力出现升高，通过出口压力传感器14可感知压力异常，此时电磁阀8关闭，避免制冷剂流入滑油系统，保障滑油系统安全。
换热器4进口、出口的进口压力传感器13、出口压力传感器14感知滑油-制冷剂换热器4进、出口的压力，当两者之间压差超过一定范围时，系统认为滑油-制冷剂换热器4出现堵塞等故障，电动调节活门7和滑油电磁阀8切断滑油回路，热泵系统停止工作，保证滑油系统安全。
热泵系统的舱外散热器5与滑油换热器16共用滑油冷却风扇17，布置在滑油散热器16的上风向。滑油散热器16内的滑油温度比舱外散热器5内的制冷剂温度要高许多，冷却风机的冷却风先经过舱外散热器5，冷却制冷剂后再冷却滑油。热泵系统无需采用单独的风机，降低了系统重量。
加温时，四通换向阀6使舱内散热器组件2与压缩机1排气口相连，压缩机1进气口与第二制冷剂电磁阀12相连。第一制冷剂电磁阀10关闭，第二电子膨胀阀11打开。压缩机1吸入滑油-制冷剂散热器4出口过来的低温低压的制冷剂气体，把它压缩成高温高压的气体排出压缩机1，高温高压的过热制冷剂气体进入舱内散热器组件2，放出大量的热，通过舱内散热风机将制冷剂的热量传递给舱内空气，随着温度的降低，制冷剂气体冷凝成液体。温度和压力较高的制冷剂液体通过第二电子膨胀阀11节流降压，压力和温度急剧下降，以气液两相状态排出第二电子膨胀阀11，两相状态的制冷剂进入滑油-制冷剂散热器4，由于制冷剂温度低于循环滑油温度，因此在滑油-制冷剂散热器4中吸收滑油的热量，在出口处成为过热状态的低温低压的制冷剂蒸气，之后通过第二制冷剂电磁阀12,进入压缩机1。
上述过程循环进行，达到提高舱内空气温度的目的。
制冷时，四通换向阀6使舱内散热器组件2出口与压缩机1入口相连，压缩机1出口与舱外换热器5相连。第二制冷剂电磁阀12关闭，第一制冷剂电磁阀10打开。压缩机1吸入舱内散热器组件2出口过来的低温低压的制冷剂气体，把它压缩成高温高压的气体排出压缩机1。高温高压的过热制冷剂气体进入舱外散热器5，放出大量的热，通过滑油冷却风扇17强迫对流换热将制冷剂的热量排到外界环境中，随着温度的降低，制冷剂气体冷凝成液体。温度和压力较高的制冷剂液体通过第一电子膨胀阀3节流降压，压力和温度急剧下降，以气液两相状态排出第一电子膨胀阀3。两相状态的制冷剂进入舱内散热器组件2，制冷剂温度低于舱室内环境温度，制冷剂通过舱内散热器组件2吸收舱室内空气中的热量，在出口处成为过热状态的低温低压的制冷剂蒸气，之后进入压缩机1。
上述过程循环进行，达到降低舱内空气温度的目的。
国内外直升机通用的构型是采用发动机引气进行加温、采用蒸发循环进行制冷，为两套独立的系统。本发明采用的热泵系统可以实现加温、制冷两种功能，具备以下优点：取消发动机引气，节省了引气加温系统的重量；利用滑油系统的废热为座舱加热，实现了废热源的有效利用；采用滑油-制冷剂换热器，吸收滑油热量为座舱加温，而不是通过舱外换热器吸收环境大气的热量，因此系统的加温功能不受环境大气温度的限制，扩大了热泵系统加温功能的使用温度范围，在极寒气候下仍能进行座舱加温；系统利用了滑油冷却风扇，减少了冷却风机，提高系统功重比；系统与滑油系统集成，在滑油系统的不同工况下均可平稳运转，同时对滑油冷却系统增加的流阻较小，且可感知滑油超压、泄漏情况，及时切断引入换热器的滑油，具有较高的安全性。制冷、加温工作模式下采用不同的电子膨胀阀调节压缩机过热度，调节精度较高。

Claims (4)

1.一种综合热泵型空调系统，其特征在于，包括：滑油制冷剂换热器(4)电动调节活门(7)、滑油电磁阀(8)、滑油阻力管(9)、第二电子膨胀阀(11)、第二制冷剂电磁阀(12)和制冷剂回路；其中，
所述滑油制冷剂换热器(4)的滑油通路和所述滑油阻力管(9)并联设置，作为直升机滑油系统的一段管路，并设置在滑油系统中的滑油温控活门(18)的输出端处；
所述电动调节活门(7)和所述滑油电磁阀(8)分别设置在所述滑油通路的两端；
所述滑油制冷剂换热器(4)的制冷剂通路通过第二电子膨胀阀(11)和第二制冷剂电磁阀(12)，并联设置在直升机制冷剂回路的舱外散热器(5)的两端；
当空调系统工作在加温模式下时，所述电动调节活门(7)、所述滑油电磁阀(8)、第二电子膨胀阀(11)和第二制冷剂电磁阀(12)打开；
还包括：进口温度传感器(15)；
所述进口温度传感器(15)设置在所述滑油制冷剂换热器(4)的滑油通路的入口处；
所述进口温度传感器(15)用于根据滑油温度调节电动调节活门(7)的开口大小；
还包括：进口压力传感器(13)；
所述进口压力传感器(13)设置在所述滑油制冷剂换热器(4)的滑油通路的入口处；
所述进口压力传感器(13)用于在检测到入口滑油压力过高时，关闭电动调节活门(7)和所述滑油电磁阀(8)；
还包括：出口压力传感器(14)；所述出口压力传感器(14)设置在所述滑油制冷剂换热器(4)的滑油通路的出口处；
所述出口压力传感器(14)感知滑油制冷剂换热器(4)内部存留滑油压力过高时，关闭电动调节活门(7)和所述滑油电磁阀(8)；
进口压力传感器(13)、出口压力传感器(14)感知滑油制冷剂换热器(4)进、出口的压力，当两者之间压差超过一定范围时，关闭电动调节活门(7)和所述滑油电磁阀(8)；
所述制冷剂回路包括：舱内散热器组件(2)、第一电子膨胀阀(3)、四通换向阀(6)和第一制冷剂电磁阀(10)；
所述第一电子膨胀阀(3)与所述舱内散热器组件(2)连接，用于控制压缩机(1)入口处过热度；
所述第一制冷剂电磁阀(10)设置在第一电子膨胀阀(3)和舱外散热器(5)之间的制冷剂通路上，所述第二制冷剂电磁阀(12)设置在滑油制冷剂换热器(4)和四通换向阀(6)之间的制冷剂通路上；
当空调系统工作在制冷模式下，第一制冷剂电磁阀(10)打开，第二制冷剂电磁阀(12)关闭，制冷剂进入舱外散热器(5)进行换热；
当空调系统工作在加温模式下，第一制冷剂电磁阀(10)关闭，第二制冷剂电磁阀(12)打开，制冷剂进入滑油制冷剂换热器(4)进行换热。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述滑油制冷剂换热器(4)的滑油通路和所述滑油阻力管(9)的阻力值一致。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述舱外散热器(5)布置在滑油系统中的滑油散热器(16)的上风向，与滑油散热器(16)共用滑油冷却风扇(17)。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二电子膨胀阀(11)设置在第一电子膨胀阀(3)与滑油制冷剂换热器(4)之间的制冷剂通路上，并且靠近滑油制冷剂换热器(4)的入口设置，用于控制压缩机(1)入口处过热度。
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