CN116330930A - 一种余热回收利用的汽车空调系统以及汽车 - Google Patents

Abstract

本公开实施例中提供了一种余热回收利用的汽车空调系统以及汽车，汽车空调系统包括空气循环制冷系统和余热回收系统。空气循环制冷系统包括依次连通的第一压气机、第一换热器、第二压气机、第二换热器、回热器、冷凝器、水分离器、回热器、第一涡轮、冷凝器、第二涡轮，第二涡轮的出口用于与汽车驾驶舱连通；余热回收系统包括第一电机、发电机和依次连通的第三压气机、余热回收换热器、第三涡轮，第三涡轮的出口用于与汽车驾驶舱连通，第一电机用于驱动第三压气机；第三涡轮的输出轴与发电机连接以驱动发电机发电，发电机与第一电机连接以驱动第一电机运行。通过本公开的实施例，能够降低汽车空调系统占用的发动机功率。

Description

一种余热回收利用的汽车空调系统以及汽车

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，具体涉及一种余热回收利用的汽车空调系统以及汽车。

背景技术

目前大部分车载空调使用蒸汽循环制冷系统(VCS)方案，通过使用压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器形成制冷循环，工质在压缩机中被压缩为高温高压蒸汽，在冷凝器中被外界空气冷凝为液体，继而经过膨胀阀降低压力，最终在蒸发器处与待处理空气换热而蒸发，吸收待处理空气中的热量使其冷却降温。VCS一般选用R134a、R22等有机制冷剂作为工质。而车载VCS运行时会消耗掉发动机的输出功率10～15％左右，使得汽车平均油耗增加。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提供一种余热回收利用的汽车空调系统以及汽车，至少部分解决现有技术中存在的问题。

本公开第一方面实施例提供了一种余热回收利用的汽车空调系统，包括空气循环制冷系统和余热回收系统。空气循环制冷系统包括依次连通的第一压气机、第一换热器、第二压气机、第二换热器、回热器、冷凝器、水分离器、回热器、第一涡轮、冷凝器、第二涡轮，回热器包括第一入口、第二入口、第一出口和第二出口，冷凝器包括第三入口、第四入口、第三出口和第四出口，第二换热器的出口与第一入口连通，第一出口与第三入口连通，第三出口与水分离器的入口连通，水分离器的出口与第二入口连通，第二出口与第一涡轮的入口连通，第一涡轮的出口与第四入口连通，第四出口与第二涡轮连通，第二涡轮的出口用于与汽车驾驶舱连通；余热回收系统包括第一电机、发电机和依次连通的第三压气机、余热回收换热器、第三涡轮，第三涡轮的出口用于与汽车驾驶舱连通，第一电机用于驱动第三压气机；第三涡轮的输出轴与发电机连接以驱动发电机发电，发电机与第一电机连接以驱动第一电机运行。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，空气循环制冷系统还包括第二电机，第二电机与第一压气机连接，第二电机用于驱动第一压气机，发电机与第二电机连接以驱动第二电机运行。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，空气循环制冷系统还包括风扇，风扇用于抽吸外界空气以使外界空气依次流经第二换热器、第一换热器。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，风扇与第二涡轮的输出轴连接，第二涡轮的输出功用于驱动风扇运行。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，第一涡轮的输出口与第二压气机连接，第一涡轮的输出功用于驱动第二压气机运行。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，汽车空调系统还包括三通阀，包括第一口、第二口和第三口，第二涡轮的出口与第一口连通，第三涡轮的出口与第二口连通，第三口用于与汽车驾驶舱连通。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，汽车空调系统还包括第一流量阀和第二流量阀，第一流量阀设于第二涡轮的出口与第一口之间，第一流量阀用于控制第一口的气流量，第二流量阀设于第三涡轮的出口与第二口之间，第二流量阀用于控制第二口的气流量。

本公开第二方面实施例提供了一种汽车，包括前述第一方面实施例中的任意一项余热回收利用的汽车空调系统。

本公开实施例中的余热回收利用的汽车空调系统，包括空气循环制冷系统和余热回收系统，相比于现有技术，将空气循环制冷系统和余热回收系统结合，空气循环制冷系统通过一压气机、第一换热器、第二压气机、第二换热器、回热器、冷凝器、水分离器、第一涡轮以及第二涡轮等连通结构对外界空气进行降温供向汽车驾驶舱。余热回收系统中外界空气首先被由第一电机带动的第三压气机压缩提高压力与温度，随后在余热回收换热器中与汽车发动机排出的高温尾气进行换热提高温度，进而进入第三涡轮中膨胀冷却，最后供往汽车驾驶舱，其中第三涡轮的输出功供给发电机，发电机驱动第一电机以带动第一压缩机。也就是说，至少余热回收系统可以不消耗发动机的功率即可以获得冷却的空气供给给汽车驾驶舱，从而降低汽车空调系统占用的发动机功率。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，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，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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它的附图。

图1为本公开第一方面实施例提供的一种余热回收利用的汽车空调系统的结构示意图。

附图标记：

100、汽车空调系统；10、空气循环制冷系统；101、第一压气机；102、第一换热器；103、第二压气机；104、第二换热器；105、回热器；105a、第一入口；105b、第一出口；105c、第二入口；105d、第二出口；106、冷凝器；106a、第三入口；106b、第三出口；106c、第四入口；106d、第四出口；107、水分离器；108、第一涡轮；109、第二涡轮；110、第二电机；111、风扇；20、余热回收系统；201、第一电机；202、发电机；203、第三压气机；204、余热回收换热器；205、第三涡轮；30、三通阀；301、第一口；302、第二口；303、第三口；200、汽车驾驶舱。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

目前大部分车载空调使用蒸汽循环制冷系统(VCS)方案，通过使用压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器形成制冷循环，工质在压缩机中被压缩为高温高压蒸汽，在冷凝器中被外界空气冷凝为液体，继而经过膨胀阀降低压力，最终在蒸发器处与待处理空气换热而蒸发，吸收待处理空气中的热量使其冷却降温。VCS一般选用R134a、R22等有机制冷剂作为工质，车载VCS运行时会消耗掉发动机的输出功率10％～15％左右，使得汽车平均油耗增加。而汽车发动机的排气具有很高的温度，仍有较高的利用价值，但现有内燃机在完成工作冲程后直接将其排散至大气中，造成能量的浪费。此外，VCS无法直接对待处理空气进行除湿，需要对冷却后析出水分的空气进行物理或化学的方法除湿，除湿效果不佳或需要额外的除湿系统。并且VCS采用有机工质为制冷剂，泄露后会对大气环境造成破坏，存在污染环境的隐患，无法做到绿色环保。

为解决上述问题，本公开实施例提供了一种余热回收利用的汽车空调系统以及汽车，下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

请参照图1，本公开第一方面实施例公开了一种余热回收利用的汽车空调系统100，包括空气循环制冷系统10和余热回收系统20。空气循环制冷系统10包括依次连通的第一压气机101、第一换热器102、第二压气机103、第二换热器104、回热器105、冷凝器106、水分离器107、回热器105、第一涡轮108、冷凝器106、第二涡轮109，回热器105包括第一入口105a、第二入口105c、第一出口105b和第二出口105d，冷凝器106包括第三入口106a、第四入口106c、第三出口106b和第四出口106d，第二换热器104的出口与第一入口105a连通，第一出口105b与第三入口106a连通，第三出口106b与水分离器107的入口连通，水分离器107的出口与第二入口105c连通，第二出口105d与第一涡轮108的入口连通，第一涡轮108的出口与第四入口106c连通，第四出口106d与第二涡轮109连通，第二涡轮109的出口用于与汽车驾驶舱200连通；余热回收系统20包括第一电机201、发电机202和依次连通的第三压气机203、余热回收换热器204、第三涡轮205，第三涡轮205的出口用于与汽车驾驶舱200连通，第一电机201用于驱动第三压气机203；第三涡轮205的输出轴与发电机202连接以驱动发电机202发电，发电机202与第一电机201连接以驱动第一电机201运行。

其中，在空气循环制冷系统10中，外界空气首先被第一压气机101压缩提高外界空气的压力和温度，然后流经第一换热器102被冷却降温，之后流经第二压气机103再次被压缩，从第二压气机103出来流向第二换热器104再次被冷却降温，随后从回热器105的第一入口105a流入从第一出口105b流出，再从冷凝器106的第三入口106a进入冷凝器106，从冷凝器106的第三出口106b流出，以对外界空气进一步的冷却降温。此时外界空气的压力较高，温度较低，外界空气中的水分会析出，通过水分离器107进行分离完成外界空气的除湿。随后外界空气经回热器105的第二入口105c再次进入回热器105，以对外界空气升温，升温后的外界空气进入第一涡轮108从而实现对外界空气膨胀降温，从第一涡轮108的出口出来后从冷凝器106的第四入口106c进入冷凝器106升温，从冷凝器106的第四出口106d出来后的外界空气进入第二涡轮109膨胀降温，降温后的外界空气供往汽车驾驶舱200。

在余热回收系统20中，外界空气首先被第一电机201带动的第三压气机203压缩提高外界空气的压力和温度，随后流经余热回收换热器204，在余热回收换热器204中与汽车发动机排出的高温尾气进行换热从而提高外界空气的温度，从余热回收换热器204流出后经过第三涡轮205的膨胀冷却后流向汽车驾驶舱200。第三涡轮205的输出功供给给发电机202发电，发电机202产生的电能用来驱动第一电机201运行。

本申请实施例提供的余热回收利用的汽车空调系统100，相比于现有技术，将空气循环制冷系统10和余热回收系统20结合，空气循环制冷系统10通过一压气机、第一换热器102、第二压气机103、第二换热器104、回热器105、冷凝器106、水分离器107、第一涡轮108以及第二涡轮109等连通结构对外界空气进行降温供向汽车驾驶舱200。余热回收系统20中利用发动机排出的废气中热量，通过第三涡轮205将热量转化为机械能，机械能供给给发电机202发电，进而产生的电能用来驱动第三压缩机。也就是说至少余热回收系统20可以不消耗发动机的功率即可以获得冷却的空气供给给汽车驾驶舱200，从而降低汽车空调系统100占用的发动机功率。

此外，空气循环制冷系统10可以提高外界空气的压力从而提高其露点温度，使得降温后的外界空气能够析出更多的水分，从而获得更好的初始效果；再者，空气循环制冷系统10无需额外使用制冷剂。

在一些可选实施例中，空气循环制冷系统10还包括第二电机110，第二电机110与第一压气机101连接，第二电机110用于驱动第一压气机101，发电机202与第二电机110连接以驱动第二电机110运行。

在这些可选实施例中，发电机202与驱动第一压气机101的第二电机110连接以驱动第二电机110运行，提高能量的利用率，那么空气循环制冷系统10也能降低对发动机功率的消耗，从而降低汽车空调系统100占用的发动机功率，降低汽车的油耗。

在一些可选实施例中，空气循环制冷系统10还包括风扇111，风扇111用于抽吸外界空气以使外界空气依次流经第二换热器104、第一换热器102。风扇111与第二涡轮109的输出轴连接，第二涡轮109的输出功用于驱动风扇111运行。

在这些可选实施例中，通过风扇111抽吸外界空气使外界空气作为冷边依次流经第二换热器104、第一换热器102，以对经第一压气机101和第二压气机102压缩升温的气流降温。风扇111被第二涡轮109驱动，进一步提高能量利用率，降低发动机功率的消耗。

在一些可选实施例中，第一涡轮108的输出口与第二压气机103连接，第一涡轮108的输出功用于驱动第二压气机103运行。

在这些可选实施例中，第二压气机103通过第一涡轮108驱动，无需消耗发动机的功率，能够降低汽车的油耗。

在一些可选实施例中，汽车空调系统100还包括三通阀30，包括第一口301、第二口302和第三口303，第二涡轮109的出口与第一口301连通，第三涡轮205的出口与第二口302连通，第三口303用于与汽车驾驶舱200连通。

在这些可选实施例中，设置三通阀30，将空气循环制冷系统10和余热回收系统20产生的两股冷空气进行汇集混合，再供往汽车驾驶舱200。

在一些可选实施例中，汽车空调系统100还包括第一流量阀和第二流量阀，第一流量阀设于第二涡轮109的出口与第一口301之间，第一流量阀用于控制第一口301的气流量，第二流量阀设于第三涡轮205的出口与第二口302之间，第二流量阀用于控制第二口302的气流量。

在这些可选实施例中，通过第一流量阀控制空气循环制冷系统10流向三通阀30的气流量，通过第二流量阀控制余热回收系统20流向三通阀30的气流量，可以调节第一流量阀和第二流量阀的气流通过量，进而调节空气循环制冷系统10和余热回收系统20在三通阀30的混合气流量比，由于余热回收系统20出口的气流温度高于空气循环制冷系统10出口的气流温度，通过调节混合气流量比，从而调节供给给汽车驾驶仓的气流温度。

为进一步说明本申请实施例的汽车空调系统100，设置以下实施例：

其中，实施例中给定的环境参数、汽车参数和气体流量如下表1所示：

参数	数值
		外界环境温度(℃)	40
外界环境气压(Pa)	101325
		外界环境含湿量(g/kg干)	22
汽车热载荷(kW)	10
		汽车驾驶室目标温度(℃)	26
汽车尾气温度(℃)	600
		汽车尾气流量(kg/s)	0.586
空气循环制冷系统空气流量(kg/s)	0.3
		风扇抽吸空气流量(kg/s)	0.6
余热回收系统空气流量(kg/s)	0.7

表1

实施例中给定的空气循环制冷系统10和余热回收系统20各个部件的参数如下表2所示：

参数	数值
		第一换热器102的效率	0.85
第二换热器104的效率	0.90
		回热器105的效率	0.70
冷凝器106的效率	0.70
		水分离器107的效率	0.95
第一压气机101的效率	0.80
		第一压气机101的压比	3.00
第二压气机103的效率	0.80
		第二压气机103的压比	1.99
第一涡轮108的效率	0.84
		第一涡轮108的膨胀比	4.30
第二涡轮109的效率	0.84
		第二涡轮109的膨胀比	1.18
风扇111的功率比	0.10
		第三压气机203的效率	0.80
第三压气机203的压比	4.00
		第三涡轮205的效率	0.80
第三涡轮205的膨胀比	3.90
		余热回收换热器204的效率	0.90

表2

采用上述参数对本申请实施例提供的汽车空调系统100进行计算，得到以下参数：

供气压力为101525Pa，相比外界大气压存在2kPa的余量。

供气温度为-7.16℃，在0.3kg/s的供气流量下可以达到10kW的制冷量。

引气含湿量为22.00g/kg_干，供气含湿量为1.33g/kg_干，系统达到了20.67g/kg_干的除湿量。

第二压气机103的功耗为29.63kW，第一涡轮108的输出功为29.63kW，两者平衡。

风扇111的功耗为3.29kW，第二涡轮109的输出功为3.29kW，两者平衡。

第一压气机101的功耗为51.35kW，第三压气机203的功耗为17.09kW，第三涡轮205的输出功为84.88kW，第三涡轮205的输出功可以满足压气机第一压气机101与第三压气机203同时使用。

综上计算，该实施例中，有效利用汽车发动机废气的余热，可以达到0kW的制冷量及20.67g/kg_干的除湿量，并且系统的功耗保持平衡，不额外占用汽车发动机的功率。

相应的，本申请第二方面实施例提供了一种汽车，包括前述第一方面实施例中的余热回收利用的汽车空调系统100。

该汽车具有前述第一方面实施例的余热回收利用的汽车空调系统100的相关结构，可参见上述各实施例提供的汽车空调系统100，具有前述余热回收利用的汽车空调系统100所有有益效果，为避免重复，在此不再赘述。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种余热回收利用的汽车空调系统，其特征在于，包括：

空气循环制冷系统，包括依次连通的第一压气机、第一换热器、第二压气机、第二换热器、回热器、冷凝器、水分离器、回热器、第一涡轮、冷凝器、第二涡轮，所述回热器包括第一入口、第二入口、第一出口和第二出口，所述冷凝器包括第三入口、第四入口、第三出口和第四出口，所述第二换热器的出口与所述第一入口连通，所述第一出口与第三入口连通，所述第三出口与所述水分离器的入口连通，所述水分离器的出口与所述第二入口连通，所述第二出口与所述第一涡轮的入口连通，所述第一涡轮的出口与所述第四入口连通，所述第四出口与所述第二涡轮连通，所述第二涡轮的出口用于与汽车驾驶舱连通；

余热回收系统，包括第一电机、发电机和依次连通的第三压气机、余热回收换热器、第三涡轮，所述第三涡轮的出口用于与所述汽车驾驶舱连通，所述第一电机用于驱动所述第三压气机；所述第三涡轮的输出轴与所述发电机连接以驱动所述发电机发电，所述发电机与所述第一电机连接以驱动所述第一电机运行。

2.根据权利要求1所述的汽车空调系统，其特征在于，所述空气循环制冷系统还包括第二电机，所述第二电机与所述第一压气机连接，所述第二电机用于驱动所述第一压气机，所述发电机与所述第二电机连接以驱动所述第二电机运行。

3.根据权利要求1所述的汽车空调系统，其特征在于，所述空气循环制冷系统还包括风扇，所述风扇用于抽吸外界空气以使所述外界空气依次流经所述第二换热器、所述第一换热器。

4.根据权利要求3所述的汽车空调系统，其特征在于，所述风扇与所述第二涡轮的输出轴连接，所述第二涡轮的输出功用于驱动所述风扇运行。

5.根据权利要求1所述的汽车空调系统，其特征在于，所述第一涡轮的输出口与所述第二压气机连接，所述第一涡轮的输出功用于驱动所述第二压气机运行。

6.根据权利要求1所述的汽车空调系统，其特征在于，所述汽车空调系统还包括三通阀，包括第一口、第二口和第三口，所述第二涡轮的出口与所述第一口连通，所述第三涡轮的出口与所述第二口连通，所述第三口用于与汽车驾驶舱连通。

7.根据权利要求6所述的汽车空调系统，其特征在于，所述汽车空调系统还包括第一流量阀和第二流量阀，所述第一流量阀设于所述第二涡轮的出口与所述第一口之间，所述第一流量阀用于控制所述第一口的气流量，所述第二流量阀设于所述第三涡轮的出口与所述第二口之间，所述第二流量阀用于控制所述第二口的气流量。

8.一种汽车，其特征在于，所述汽车包括如权利要求1至7中任一项所述的余热回收利用的汽车空调系统。

Images