CN114043845B - 一种热泵空调系统及汽车 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种热泵空调系统及汽车，前HVAC结构用于设于乘员舱内，沿经过前HVAC结构的空气流向，其包括依次设置的用于连通外部空气的前外循环进风口和前暖风芯子；后HVAC结构用于设于乘员舱内，沿经过后HVAC结构的空气流向，其包括后蒸发器，以及位于后蒸发器下游的用于连通外部空气的后外循环出风口和用于连通乘员舱内空气的后内循环进风口，后内循环进风口内设有后暖风芯子；水回路连接前暖风芯子和后暖风芯子；制冷剂回路连接后蒸发器，其包括水冷冷凝器和室外换热器，制冷剂回路与水回路通过水冷冷凝器进行热交换。通过后蒸发器，将外循环制热模式下直接排出的热量进行回收，再通过水冷冷凝器将热量交换至水回路，从而提高了热泵空调系统的效率。

Description

一种热泵空调系统及汽车

技术领域

本申请涉及汽车热管理技术领域，特别涉及一种热泵空调系统及汽车。

背景技术

随着越来越严格的环保法规要求，电动汽车的市场占有率不断扩大，发展前景也是被广泛看好。但相比较传统燃油车，纯电动汽车还有一些瓶颈问题亟待解决，例如续驶里程有待提高，特别是冬季低温续航里程。

一般认为，低温行驶阻力加大、空调采暖能耗和低温电池性能衰减是影响低温续驶里程衰减的三大主要因素。而空调采暖能耗在三大主要因素中又是占比最大的。现阶段降低空调采暖能耗的主要研究方向是，采用更高效的热泵空调代替原PTC空调。热泵空调一般从空气源吸热，但空气源热泵极易受环境温度的影响，在低温环境下效率较低。

发明内容

本申请实施例提供一种热泵空调系统及汽车，通过回收乘员舱余热，提高了热泵空调系统的效率。

第一方面，提供了一种热泵空调系统，其包括：

前HVAC结构，其用于设于乘员舱内，沿经过前HVAC结构的空气流向，其包括依次设置的用于连通外部空气的前外循环进风口和前暖风芯子；

后HVAC结构，其用于设于乘员舱内，沿经过后HVAC结构的空气流向，其包括后蒸发器，以及位于所述后蒸发器下游的用于连通外部空气的后外循环出风口和用于连通乘员舱内空气的后内循环进风口，所述后内循环进风口内设有后暖风芯子；

水回路，其连接所述前暖风芯子和后暖风芯子；

制冷剂回路，其连接所述后蒸发器，其包括水冷冷凝器和室外换热器，所述制冷剂回路与水回路通过水冷冷凝器进行热交换。

本申请在冬季低温环境下使用时，为了保证前风挡玻璃不起雾以及乘员舱的舒适性，采用外循环制热模式，以对乘员舱进行采暖时，水回路和制冷剂回路均工作，制冷剂回路通过水冷冷凝器将热量交换至水回路。

对于水回路：外部空气从前外循环进风口进入乘员舱内，经过前暖风芯子后被加热，实现乘员舱采暖，然后通过后HVAC结构，在后HVAC结构内，后蒸发器将空气的热量交换至制冷剂回路，空气温度降低，并分成两路，其中一路冷空气直接从后外循环出风口排出，另一路冷空气经过后暖风芯子时被加热，并从后内循环进风口再次进入乘员舱，从而提高乘员的舒适性体验。

对于制冷剂回路：一方面，利用室外换热器从空气源吸收热量；另一方面，通过后蒸发器，将原本在外循环制热模式下直接从乘员舱排出的热空气的热量进行回收，再通过水冷冷凝器将热量交换至水回路，从而提高了热泵空调系统的效率。

一些实施例中，所述制冷剂回路还包括：

第一管路，沿制冷剂流向，所述第一管路上依次串联有压缩机、所述水冷冷凝器、第一电子膨胀阀和所述室外换热器；

第二管路，沿制冷剂流向，所述第二管路上依次串联有第二电子膨胀阀和所述后蒸发器，所述第二管路将所述后蒸发器并联在所述第一电子膨胀阀和所述室外换热器上。

一些实施例中，所述前HVAC结构还包括前进风口、前出风口、混合风门、冷暖风门和前蒸发器；

所述混合风门将所述前进风口分隔成所述前外循环进风口，以及用于连通乘员舱内空气的前内循环进风口，并用于调节前内循环进风口的进风量；

所述冷暖风门将所述前出风口分隔成用于连通乘员舱内空气的第一前内循环出风口和第二前内循环出风口，并用于调节第二前内循环出风口的进风量，其中第二前内循环出风口内设有所述前暖风芯子；

所述第一管路上还设有与所述第一电子膨胀阀并联的第一电子截止阀，以及位于所述室外换热器下游的第二电子截止阀，所述第二电子截止阀与后蒸发器并联；

所述制冷剂回路还包括第三管路，沿制冷剂流向，所述第三管路上依次串联有第三电子膨胀阀和所述前蒸发器，所述第三管路将前蒸发器并联在所述第二电子截止阀上。

一些实施例中，所述前HVAC结构还包括前壳体，所述混合风门、冷暖风门转动连接在所述前壳体上。

一些实施例中，所述后外循环出风口和后内循环进风口之间通过可旋转的电动风门分隔。

一些实施例中，所述制冷剂回路还包括：

第一管路，沿制冷剂流向，所述第一管路上依次串联有压缩机、所述水冷冷凝器、第一电子膨胀阀和所述室外换热器；

第二管路，所述第二管路将所述后蒸发器并联在所述室外换热器上。

一些实施例中，所述制冷剂回路还包括：

第一管路，沿制冷剂流向，所述第一管路上依次串联有压缩机、所述水冷冷凝器、第一电子膨胀阀、所述室外换热器和所述后蒸发器。

一些实施例中，所述水回路上设有水PTC加热器。

一些实施例中，所述前暖风芯子和后暖风芯子并联或串联。

第二方面，提供了一种汽车，其装配有如上任一所述的热泵空调系统。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请在冬季低温环境下使用时，为了保证前风挡玻璃不起雾以及乘员舱的舒适性，采用外循环制热模式，以对乘员舱进行采暖时，水回路和制冷剂回路均工作，制冷剂回路通过水冷冷凝器将热量交换至水回路。

对于水回路：外部空气从前外循环进风口进入乘员舱内，经过前暖风芯子后被加热，实现乘员舱采暖，然后通过后HVAC结构，在后HVAC结构内，后蒸发器将空气的热量交换至制冷剂回路，空气温度降低，并分成两路，其中一路冷空气直接从后外循环出风口排出，另一路冷空气经过后暖风芯子时被加热，并从后内循环进风口再次进入乘员舱，从而提高乘员的舒适性体验。

对于制冷剂回路：一方面，利用室外换热器从空气源吸收热量；另一方面，通过后蒸发器，将原本在外循环制热模式下直接从乘员舱排出的热空气的热量进行回收，再通过水冷冷凝器将热量交换至水回路，从而提高了热泵空调系统的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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为本申请实施例提供的热泵空调系统处于外循环制热模式时的示意图；

图2为本申请实施例提供的热泵空调系统处于内循环制冷模式时的示意图。

图中：1、前HVAC结构；10、前外循环进风口；11、前暖风芯子；12、混合风门；13、冷暖风门；14、前蒸发器；15、前内循环进风口；16、第一前内循环出风口；17、第二前内循环出风口；18、前壳体；19、前鼓风机；2、乘员舱；3、后HVAC结构；30、后蒸发器；31、后外循环出风口；32、后内循环进风口；33、后暖风芯子；34、电动风门；35、后壳体；36、后鼓风机；4、水回路；40、水泵；5、制冷剂回路；50、水冷冷凝器；51、室外换热器；52、压缩机；53、第一电子膨胀阀；54、第二电子膨胀阀；55、第一电子截止阀；56、第二电子截止阀；57、第三电子膨胀阀；6、水PTC加热器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，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的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。

参见图1所示，本申请实施例提供了一种热泵空调系统，其包括前HVAC结构1、后HVAC结构3、水回路4和制冷剂回路5，前HVAC结构1和后HVAC结构3都是设置在乘员舱2中，其中，沿经过前HVAC结构1的空气流向，前HVAC结构1包括依次设置的前外循环进风口10和前暖风芯子11，前外循环进风口10与乘员舱2外部的空气连通，进而可以将外部空气导入乘员舱2内；沿经过后HVAC结构3的空气流向，后HVAC结构3包括后蒸发器30、后外循环出风口31和后内循环进风口32，后外循环出风口31和后内循环进风口32均位于后蒸发器30下游，后外循环出风口31与乘员舱2外部的空气连通，进而可以将乘员舱2内的空气排出，后内循环进风口32连通乘员舱2内空气，进而实现乘员舱2内的空气循环，后内循环进风口32内设有后暖风芯子33。

水回路4具有水泵40，水回路4连接前暖风芯子11和后暖风芯子33，制冷剂回路5连接后蒸发器30，制冷剂回路5包括水冷冷凝器50和室外换热器51，制冷剂回路5与水回路4通过水冷冷凝器50进行热交换。

本实施例在冬季低温环境下使用时，为了保证前风挡玻璃不起雾以及乘员舱的舒适性，采用外循环制热模式，以对乘员舱进行采暖时，水回路4和制冷剂回路5均工作，制冷剂回路5通过水冷冷凝器50将热量交换至水回路4。

对于水回路4：外部空气从前外循环进风口10进入乘员舱2内，经过前暖风芯子11后被加热，实现乘员舱2采暖，然后通过后HVAC结构3，在后HVAC结构3内，后蒸发器30将空气的热量交换至制冷剂回路5，空气温度降低，并分成两路，其中一路冷空气直接从后外循环出风口31排出，另一路冷空气经过后暖风芯子33时被加热，并从后内循环进风口32再次进入乘员舱2，从而提高乘员的舒适性体验。

对于制冷剂回路5：一方面，利用室外换热器51从空气源吸收热量；另一方面，通过后蒸发器30，将原本在外循环制热模式下直接从乘员舱2排出的热空气的热量进行回收，再通过水冷冷凝器50将热量交换至水回路4，从而提高了热泵空调系统的效率。

在一些优选的实施方式中，参见图1所示，水回路4上设有水PTC加热器6，在极低温条件下，热泵空调系统效率较低的情况下，可以利用水PTC加热器6加热乘员舱2。

在一些优选的实施方式中，参见图1所示，前暖风芯子11和后暖风芯子33并联，当然了，在另一些示例中，前暖风芯子11和后暖风芯子33还可以采用串联方式，以减少管路和三通用量。

为了实现制冷剂回路5回收乘员舱2的余热目的，制冷剂回路5的管道结构有多种形式，作为示例性地，本申请提供了三种管道结构；

(1)在第一种管道结构中：参见图1所示，制冷剂回路5还包括第一管路和第二管路，沿制冷剂流向，第一管路上依次串联有压缩机52、水冷冷凝器50、第一电子膨胀阀53和室外换热器51，第二管路上依次串联有第二电子膨胀阀54和后蒸发器30，第二管路将后蒸发器30并联在第一电子膨胀阀53和室外换热器51上。在外循环制热模式下，制冷剂经过压缩机52压缩后，经水冷冷凝器50后加热水回路，然后分成两条路，一路在经过第一电子膨胀阀53后，从室外换热器51吸收外界空气的热量；另一路经过第二电子膨胀阀54后从后蒸发器30回收乘员舱2内的余热。

(2)在第二种管道结构中：制冷剂回路5还包括第一管路和第二管路，沿制冷剂流向，第一管路上依次串联有压缩机52、水冷冷凝器50、第一电子膨胀阀53和室外换热器51，第二管路将后蒸发器30并联在室外换热器51上。相对于第一种管道结构，第二种管道结构中只需要第一电子膨胀阀53即可，节省成本。

(3)在第三种管道结构中：制冷剂回路5还包括第一管路，沿制冷剂流向，第一管路上依次串联有压缩机52、水冷冷凝器50、第一电子膨胀阀53、室外换热器51和后蒸发器30。相对于第一种管道结构，第二种管道结构中只需要第一电子膨胀阀53即可，不仅省了一个电子膨胀阀，还省下一条管路，更加节省成本。

为了实现内循环制冷模式，参见图2所示，在一些优选的实施方式中，在第一种管道结构的基础之上，前HVAC结构1还包括前进风口、前出风口、混合风门12、冷暖风门13和前蒸发器14、前壳体18，前进风口和前出风口分别位于前壳体18的前后两端，混合风门12、冷暖风门13转动连接在前壳体18上，前蒸发器14和前暖风芯子11都位于前壳体18内，且在前蒸发器14上游设置前鼓风机19；混合风门12将前进风口分隔成前外循环进风口10和前内循环进风口15，前内循环进风口15用于连通乘员舱2内空气，混合风门12可以比例调节前内循环进风口15和前外循环进风口10的进风量。

冷暖风门13将前出风口分隔成用于连通乘员舱2内空气的第一前内循环出风口16和第二前内循环出风口17，冷暖风门13可以比例调节第一前内循环出风口16和第二前内循环出风口17的进风量，其中第二前内循环出风口17内设有前暖风芯子11。

第一管路上还设有与第一电子膨胀阀53并联的第一电子截止阀55，以及位于室外换热器51下游的第二电子截止阀56，第二电子截止阀56与后蒸发器30并联；制冷剂回路5还包括第三管路，沿制冷剂流向，第三管路上依次串联有第三电子膨胀阀57和前蒸发器14，第三管路将前蒸发器14并联在第二电子截止阀56上。

(1)当处于外循环制热模式时：

参见图1所示，混合风门12完全闭合于前内循环进风口15上，以使前外循环进风口10完全打开，冷暖风门13完全闭合于第一前内循环出风口16上，以使第二前内循环出风口17完全打开，前HVAC结构1和后HVAC结构3均工作。

对于水回路4，一条是依次连接水泵40、水冷冷凝器50、水PTC加热器6、前暖风芯子11，再回到水泵40；另一条是依次连接水泵40、水冷冷凝器50、水PTC加热器6、后暖风芯子33，再回到水泵40。

对于制冷剂回路5，一条是依次连接压缩机52、水冷冷凝器50、第一电子膨胀阀53、室外换热器51、第二电子截止阀56，再回到压缩机52；另一条是依次连接压缩机52、水冷冷凝器50、第二电子膨胀阀54、后蒸发器30，再回到压缩机52。

(2)当处于内循环制冷模式时：

参见图2所示，混合风门12完全闭合于前外循环进风口10上，以使前内循环进风口15完全打开，冷暖风门13完全闭合于第二前内循环出风口17上，以使第一前内循环出风口16完全打开，前HVAC结构1工作，后HVAC结构3和水回路4不工作。

对于制冷剂回路5，依次连接压缩机52、水冷冷凝器50、第一电子截止阀55、室外换热器51、第三电子膨胀阀57、前蒸发器14，再回到压缩机52。制冷剂经过前蒸发器14，吸收乘员舱2内的热量，对乘员舱2进行降温，经过压缩机52后，再通过室外换热器51与外界空气进行热交换。采用上述内循环制冷模式，热泵空调系统只冷却乘员舱2内的空气，比较节能。

参见图2所示，后HVAC结构3包括后壳体35，后壳体35前后两端分别为后进风口和后出风口，后进风口位于前出风口下游，后蒸发器30和后暖风芯子33位于后壳体35内，且在后蒸发器30上游设有后鼓风机36，后出风口设置有隔板，以使后出风口形成后外循环出风口31和后内循环进风口32，进一步地，隔板可以采用电动风门34，电动风门34转动连接在后壳体35上，比例调节经过后外循环出风口31的空气比例，更精确的提高乘员舱余热的利用效率。

本实施例还提供了一种装配有上述热泵空调系统的汽车，采用该热泵空调系统的汽车，在冬季用车时，具有更好的续驶里程。

具体地，本申请提供的汽车，因为装配有上述热泵空调系统，在冬季低温环境下使用时，为了保证前风挡玻璃不起雾以及乘员舱的舒适性，采用外循环制热模式，以对乘员舱进行采暖时，水回路和制冷剂回路均工作，制冷剂回路通过水冷冷凝器将热量交换至水回路。

对于水回路：外部空气从前外循环进风口进入乘员舱内，经过前暖风芯子后被加热，实现乘员舱采暖，然后通过后HVAC结构，在后HVAC结构内，后蒸发器将空气的热量交换至制冷剂回路，空气温度降低，并分成两路，其中一路冷空气直接从后外循环出风口排出，另一路冷空气经过后暖风芯子时被加热，并从后内循环进风口再次进入乘员舱，从而提高乘员的舒适性体验。

对于制冷剂回路：一方面，利用室外换热器从空气源吸收热量；另一方面，通过后蒸发器，将原本在外循环制热模式下直接从乘员舱排出的热空气的热量进行回收，再通过水冷冷凝器将热量交换至水回路，从而提高了热泵空调系统的效率。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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。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，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种热泵空调系统，其特征在于，其包括：

前HVAC结构(1)，其用于设于乘员舱(2)内，沿经过前HVAC结构(1)的空气流向，其包括依次设置的用于连通外部空气的前外循环进风口(10)和前暖风芯子(11)；

后HVAC结构(3)，其用于设于乘员舱(2)内，沿经过后HVAC结构(3)的空气流向，其包括后蒸发器(30)，以及位于所述后蒸发器(30)下游的用于连通外部空气的后外循环出风口(31)和用于连通乘员舱(2)内空气的后内循环进风口(32)，所述后内循环进风口(32)内设有后暖风芯子(33)；

水回路(4)，其连接所述前暖风芯子(11)和后暖风芯子(33)；

制冷剂回路(5)，其连接所述后蒸发器(30)，其包括水冷冷凝器(50)和室外换热器(51)，所述制冷剂回路(5)与水回路(4)通过水冷冷凝器(50)进行热交换。

2.如权利要求1所述的热泵空调系统，其特征在于，所述制冷剂回路(5)还包括：

第一管路，沿制冷剂流向，所述第一管路上依次串联有压缩机(52)、所述水冷冷凝器(50)、第一电子膨胀阀(53)和所述室外换热器(51)；

第二管路，沿制冷剂流向，所述第二管路上依次串联有第二电子膨胀阀(54)和所述后蒸发器(30)，所述第二管路将所述后蒸发器(30)并联在所述第一电子膨胀阀(53)和所述室外换热器(51)上。

3.如权利要求2所述的热泵空调系统，其特征在于：

所述前HVAC结构(1)还包括前进风口、前出风口、混合风门(12)、冷暖风门(13)和前蒸发器(14)；

所述混合风门(12)将所述前进风口分隔成所述前外循环进风口(10)，以及用于连通乘员舱(2)内空气的前内循环进风口(15)，并用于调节前内循环进风口(15)的进风量；

所述冷暖风门(13)将所述前出风口分隔成用于连通乘员舱(2)内空气的第一前内循环出风口(16)和第二前内循环出风口(17)，并用于调节第二前内循环出风口(17)的进风量，其中第二前内循环出风口(17)内设有所述前暖风芯子(11)；

所述第一管路上还设有与所述第一电子膨胀阀(53)并联的第一电子截止阀(55)，以及位于所述室外换热器(51)下游的第二电子截止阀(56)，所述第二电子截止阀(56)与后蒸发器(30)并联；

所述制冷剂回路(5)还包括第三管路，沿制冷剂流向，所述第三管路上依次串联有第三电子膨胀阀(57)和所述前蒸发器(14)，所述第三管路将前蒸发器(14)并联在所述第二电子截止阀(56)上。

4.如权利要求3所述的热泵空调系统，其特征在于：所述前HVAC结构(1)还包括前壳体(18)，所述混合风门(12)、冷暖风门(13)转动连接在所述前壳体(18)上。

5.如权利要求1所述的热泵空调系统，其特征在于：所述后外循环出风口(31)和后内循环进风口(32)之间通过可旋转的电动风门(34)分隔。

6.如权利要求1所述的热泵空调系统，其特征在于，所述制冷剂回路(5)还包括：

第一管路，沿制冷剂流向，所述第一管路上依次串联有压缩机(52)、所述水冷冷凝器(50)、第一电子膨胀阀(53)和所述室外换热器(51)；

第二管路，所述第二管路将所述后蒸发器(30)并联在所述室外换热器(51)上。

7.如权利要求1所述的热泵空调系统，其特征在于，所述制冷剂回路(5)还包括：

第一管路，沿制冷剂流向，所述第一管路上依次串联有压缩机(52)、所述水冷冷凝器(50)、第一电子膨胀阀(53)、所述室外换热器(51)和所述后蒸发器(30)。

8.如权利要求1所述的热泵空调系统，其特征在于：

所述水回路(4)上设有水PTC加热器(6)。

9.如权利要求1所述的热泵空调系统，其特征在于：

所述前暖风芯子(11)和后暖风芯子(33)并联或串联。

10.一种汽车，其特征在于，其装配有如权利要求1至9任一所述的热泵空调系统。

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