CN1614338A - 一种独立式内燃机驱动的空调装置 - Google Patents

Abstract

一种独立式内燃机驱动的空调装置，其中内燃机分别与压缩机和小型发电机相连，压缩机带动制冷系统循环运行，用户室内机和泵的电力由小型发电机提供。水源充分时采用水冷式冷凝器，无水源时采用风冷式冷凝器；室内机与主机距离较近时采用直接连接室内机的方式，在距离较远时采用第二工质换热器的风机盘管连接方式，系统通过控制芯片和控制电路来实现内燃机油门的开度调节、蓄电池的充电与电压监测、系统的故障检测。通过电路开关实现内燃机转速的远程调节从而实现制冷系统的制冷量调节，进而适应室内热负荷的变化和用户对室内温度的调节要求。

Description

一种独立式内燃机驱动的空调装置

技术领域

本发明涉及一种空调系统装置，特别涉及一种独立式内燃机驱动的空调系统装置。

背景技术

目前严重的环境问题，如大气臭氧层的破坏、工农业生产中的环境污染、植被破坏以及温室效应等，已对环境和气候产生了很大的影响。就我国而言，夏季温度屡创记录。随着人们生活水平的提高，人们对于室内环境品质的要求也越来越高，适用于不同环境和要求的各种类型空调装置不断被推出。然而还有一些特殊的工作场合，由于其工作环境的特殊性以及在产品的系统设计、设备安装等方面存在着一定的技术难度以及成本问题等还没有现行的产品来实现室内温度的调节。如处于内河流域的中小型船舶，船内一般只配备供照明用的蓄电池，不像大型船舶那样有自备的交流发电机组；野外作业的活动房以及缺少电力但需要空调设备的场合，由于缺乏电力同样不能按照家用空调使用电力驱动的方案来设计。现在，还没有针对这样的特殊工作环境的独立式空调系统产品。有一些人自制了一些空调设备，即购买一套家用空调和一套发电机组，依靠发电机组的电力来拖动空调设备实现制冷。然而这种系统有着整体价格很高、能量转换损失很大和COP值小的缺点。在内河流域的中小型船舶方面，专利《机动拖船用空调装置》(专利号94238617.5)涉及了开启式压缩机与主柴油发动机联动的空调装置。系统依靠船舶运行时的动力拖动制冷系统，其蒸发器的风机所需电力和冷凝器的冷却水也是依靠船用蓄电池和主柴油发动机的冷却水系统提供。系统需要与主发动机进行动力连接改造、冷却水改造等，一旦主柴油机停止运行，空调设备也停止运行。

发明内容

本发明的目的在于克服一般常规空调在特殊工作环境下的局限性，提供一种针对无电力来源的可扩展和易实现调温的独立式内燃机驱动的空调装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包含一个小型内燃机和一个带有进、排气的压缩机，其特点是，小型内燃机通过皮带轮分别与压缩机和小型发电机连接，压缩机的排气侧通过管路与水冷式冷凝器或风冷式冷凝器的进口侧连接，水冷式冷凝器或风冷式冷凝器的出口侧通过管路与储液干燥器的进口侧连接，储液干燥器的出口侧通过管路与膨胀阀的进口侧连接，膨胀阀的出口侧通过管路与第二工质蒸发器或风冷式蒸发器的进口侧连接，第二工质蒸发器或风冷式蒸发器的出口侧通过管路与压缩机的吸气侧连接。

本发明的另一特点是：第二工质蒸发器的出口通过管道与保温箱的进口连接，保温箱的出口通过管道与泵的进口连接，泵的出口通过管道与风机盘管的进口连接，风机盘管的出口通过管道与第二工质蒸发器的进口连接；水冷式冷凝器的水路进口还分别与水泵、中间水过滤器和水路初级过滤器相连通，入口水路初级过滤器的进口侧与水源连接，水冷式冷凝器的水路出口侧通过水管将水直接排至水源；内燃机油门开度的调节依靠控制子系统来完成，控制系统包括连杆传动机构、步进电机、控制电路、操作电路、铅酸蓄电池和单相交流发电机，其中，连杆传动机构包括导轨丝杠和套装在导轨丝杆上的滑块以及与滑块铰接的连杆，连杆的上端与内燃机油门拉杆铰接，导轨丝杠与安装在内燃机机座上的步进电机的输出轴相连，操作电路上设置有有操作指示单元电路即低档指示灯LED1、中档指示灯LED2、高档指示灯LED3、油门调节键S2和关机键S3，控制板上的电路包括电源变换单元、单片机单元、步进电机单元和继电器控制单元，控制板通过带锁紧螺钉的九针D型接插件J7与步进电机的引线相连；通过带锁紧螺钉的九针D型接插件J8、J9和四对屏蔽双绞线电缆与操作电路相连；控制电路的前面板上安装有电压表、开机键S1和故障指示灯LED0，后面板上安装有与蓄电池相连接的蓄电池开关、接线端子排和控制器风扇；控制子系统的单片机U1的17、16脚输出编码的多路选择信号，同时送至译码器U3和多路器U16的译码输入端，单片机U1的15、14脚分别输出译码器U3、多路器U16的选通信号，这两路选通信号分时工作，保证译码器U3和多路器U16不同时选通，当选通译码器U3时，译码器U3将此编码信号进行解码、进而由驱动电路U4～U7放大，成为步进电机的驱动信号，步进电机接成双相励磁，译码器U3的A组输出Y0、Y1、Y2、Y3分别连至驱动电路U4～U7的第一单元输入，译码器U3的B组输出Y1、Y2、Y3、Y0分别连至驱动电路U4～U7的第二单元输入先将驱动电路U4～U7各自的两个单元输出级并接，再分别连接到步进电机的四个线圈，当选通多路器U16时，多路器U16将此编码信号进行解码，分别选通可变电阻器W0～W3形成的四路电压信号MUX0～MUX3，送至单片机U1的12脚，可变电阻器W4形成的参考电压，送至单片机U1的13脚。

本发明采用小型内燃机通过皮带轮拖动压缩机，压缩机带动制冷系统工作。其中，压缩机的皮带轮带有电磁离合器，可以实现压缩机的开启和停止。在启动小型内燃机时，压缩机离合器处于脱离状态，使得系统动力源在无负载下轻松启动，启动后压缩机离合器吸合，制冷系统开始工作。对于缺乏电力的特殊工作场合，可以根据现场的具体情况进行设备的灵活选择，选择与之配套的系统安装形式；另外，可以随着室内热负荷的变化来调整压缩机转速的变化，从而有效的控制室内温度。并且，对于通过载冷剂实现制冷的风机盘管安装形式，用户可以根据自己的需要，增加室内风机盘管来实现所谓的“一拖多”式空调。也就是说，系统具有一定的可扩展性。控制子系统采用抗干扰能力强的单片机构成控制电路，采用软件运算代替传统的中小规模逻辑电路，并实现了远程操作，因而整个系统结构紧凑、使用方便，同时具有较高的自动化水平、优良的可靠性和可维护性。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明控制子系统方框原理图；

图3是本发明操作电路27的电路原理图；

图4是本发明控制电路21的电路原理图；

图5是连杆传动机构18的结构示意图；

图6是内燃机3油门各档位关系示意图；

图7是本发明系统开机控制流程图；

图8～图12是本发明按键处理流程图；

图13是本发明蓄电池3的充电控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。

参见图1，本发明包含一个小型内燃机1，小型内燃机1通过皮带轮分别与压缩机4和小型发电机2连接，压缩机4的排气侧通过管路与水冷式冷凝器8(风冷式冷凝器16)的制冷剂进口侧连接，水冷式冷凝器8(风冷式冷凝器16)的制冷剂出口侧通过管路与储液干燥器9的进口侧连接，储液干燥器9的出口侧通过管路与膨胀阀10的进口侧连接，膨胀阀10的出口侧通过管路与第二工质蒸发器13(风冷式蒸发器15)的制冷剂进口侧连接，第二工质蒸发器13(风冷式蒸发器15)的制冷剂出口侧通过管路与压缩机4的吸气侧连接。水路初级过滤器5的进口侧与水源连接，水路初级过滤器5的出口侧通过水管与中间水过滤器6的进口侧连接，中间水过滤器6的出口侧通过水管与水泵7的进口侧连接，水泵7的出口侧通过水管与水冷式冷凝器8的水路进口侧连接，水冷式冷凝器8的水路出口侧通过水管将水直接排至水源。第二工质蒸发器13的工质出口通过管道与保温箱14的进口连接，保温箱14的出口与泵11的进口连接，泵11的出口通过管道与风机盘管12的进口连接，风机盘管12的出口通过管道与第二工质蒸发器13的工质进口连接。

参照图2，双点划线内的部分为控制子系统17，控制子系统包括连杆传动机构18、步进电机19、控制电路21、操作电路27、铅酸蓄电池3和单相交流发电机2。其中，控制电路21前面板有电压表20、开机键S1和故障指示灯LED0，后面板有与蓄电池3相连接的蓄电池开关23、接线端子排24和控制器风扇25，内部安装有控制板22。操作电路27内部安装操作板，主要有低档指示灯LED1、中档指示灯LED2、高档指示灯LED3、油门调节键S2和关机键S3。控制板22通过带锁紧螺钉的九针D型接插件J7与步进电机19的引线相连；通过带锁紧螺钉的九针D型接插件J8、J9和四对屏蔽双绞线电缆26与操作板27相连。

参照图3、图4，本发明中U1-U17为集成电路，其中U1为单片机，U2为单片机监控芯片，U3、U17为译码器，U4～U10为驱动电路，U11、U12为整流桥，U13～U15为稳压器，U16为多路器。D0-12为二极管，其中D0～D4为整流管，D5～D12为续流管。J1-J6为接插件，J1接风机15、水泵7，J2接发电机2的220VAC，J3接发电机2的12VAC，J4接蓄电池3，其端子1接正极，端子2接负极，J5接压缩机4的电磁离合器，J6接控制器风扇25。RL1-K1～RL3-K3为继电器，RL为线圈、K为触点，其中RL1-K1为单刀双掷，1脚接电平VCC，2脚接驱动电路U10的第二单元输出引脚5，3脚接插件J4的端子1，4脚接稳压器U15的引脚1，5脚接整流桥U11的正极；RL2-K2为单刀单掷，1脚接电平VCC，2脚接驱动电路U10的第一单元输出引脚3，3脚接插件J5的端子2，4脚接接插件J5的端子1，5脚悬空；RL3-K3为双刀单掷，1脚接电平+12V，2脚接驱动电路U9的引脚3和5，触点K3的一边与接插件J1相连，另一边与接插件J2相连。W0-W4为可变电阻器，其中W0和W1的电阻一端与整流桥U12的正极连接，另一端接地，取样端MUX0、MUX1分别与多路器U16的引脚12、14相连；W2和W3的电阻一端与稳压器U15的引脚1连接，另一端接地，取样端MUX2、MUX3分别与多路器U16的引脚15、11相连；W4的电阻连接在电平VCC和地之间，取样端同时与多路器U16的引脚1、5、2、4相连。

单片机U1的17、16脚输出编码的多路选择信号，同时送至译码器U3和多路器U16的译码输入端，单片机U1的15、14脚分别输出译码器U3、多路器U16的选通信号。这两路选通信号分时工作，程序保证译码器U3和多路器U16不同时选通；当不工作时可以同时关闭以降低功耗。当选通译码器U3时，译码器U3将此编码信号进行解码、进而由驱动电路U4～U7放大，成为步进电机19的驱动信号，利用驱动电路U4～U7输出级的集电极开路特性将步进电机19接成双相励磁，在程序中采用双四拍运行。其连接关系为：译码器U3的A组输出Y0、Y1、Y2、Y3分别连至驱动电路U4～U7的第一单元输入，译码器U3的B组输出Y1、Y2、 Y3、Y0分别连至驱动电路U4～U7的第二单元输入；先将驱动电路U4～U7各自的两个单元输出级并接，再分别连接到步进电机19的四个线圈。当选通多路器U16时，多路器U16将此编码信号进行解码，分别选通可变电阻器W0～W3形成的四路电压信号MUX0～MUX3，送至单片机U1的12脚；可变电阻器W4形成的参考电压，送至单片机U1的13脚，与12脚电压进行比较，从而获知发电机2或蓄电池3的电压信息。

参照图5，连杆传动机构18由导轨丝杠31、滑块30、连杆29组成，连杆29的上端与内燃机油门拉杆28铰接，连杆29的下端与滑块30铰接，滑块30上有内螺纹通孔，套在导轨丝杠31上，导轨丝杠31与步进电机19的输出轴相连，步进电机19安装在内燃机1的机座上、油门拉杆28的下方。在这种连接关系下，滑块30不能转动，只能沿着导轨丝杠31上下滑动。

本发明的工作原理如下：参照图1，小型内燃机1通过皮带轮带动压缩机4，压缩机4出口得到的是高温、高压的制冷剂过热蒸汽，通过水冷式冷凝器8(风冷式冷凝器16)后成为高压、中温液体，流入储液干燥器9进行干燥后，进入膨胀阀10后变为成为低压、低温气液两相体，进入第二工质蒸发器13(风冷式蒸发器15)，经过充分换热的制冷剂蒸汽最后流回至压缩机4。制冷系统如此循环。同时，水冷式冷凝器的水路循环是由水泵7将水源的水吸取上来，经过初级过滤器5和中间过滤器6的二次过滤后进入水冷式冷凝器8，与从压缩机来的制冷剂过热蒸汽进行充分换热后排回至水源中。对于第二工质蒸发器系统，经过与第二工质蒸发器充分换热后的载冷剂从第二工质蒸发器13的出口出来后，流至保温箱14，然后再由泵11抽取后送往风机盘管12，在与空气充分换热后，流回至第二工质蒸发器13，完成载冷剂的循环。用户可以根据自己的需要，配置多个风机盘管，在泵的出口处进行安装即可。

控制系统包括小型内燃机的启动、运行和关机，油门的控制，蓄电池充电以及系统的故障诊断。其工作原理如下：

参照图5、图6，油门开度的调节过程为：单片机U1发出一系列经过编码的控制信号，该信号输出到步进电机19单元电路进行解码和放大后，转变为一系列驱动信号给步进电机19使之按要求的方向和角度转动，步进电机19带动导轨丝杠31转动，导致滑块30沿着导轨丝杠31上下滑动并通过连杆29推拉油门拉杆28，从而改变内燃机1的油门开度。

参照图2、图6、图7，在程序控制下，开机的操作过程为：在接通蓄电池3而未开机前，控制子系统17将内燃机1的油门置于拉杆28的自由状态，此为“停机位置”。如果用户按动开机键S1，控制子系统17将油门开度调到比“怠速位置”稍大的“起动位置”，此时用户可以起动内燃机1。控制子系统17按下述方式判断起动成功与否：单片机U1内部开始计数和计时，并检测发电机2电压，当电压升到起动电压时，说明起动成功；若在30秒内不能达到，则说明起动失败。若三次起动均告失败，控制子系统17认为系统发生故障，将油门退回“停机位置”，同时故障指示灯LED0闪烁，30秒后进入待机状态。

若启动成功，等待10秒后，控制子系统17将输出一控制信号，起动控制盒风扇25；然后油门推至“怠速位置”空载运行180秒，然后将油门拉至“低档位置”，10秒后输出一控制信号使继电器RL3-K3动作，冷凝器水泵7和蒸发器风机15开始运转；180秒之后输出一控制信号使继电器RL2-K2动作，压缩机4的离合器得电吸合，压缩机4转动，开始制冷，120秒后后将油门拉至“中档位置”，并向操作显示单元发出信号使中档指示灯LED2亮。至此，开机过程完毕。开机后再按下开机键S1，将无反应。

参照图8、图10和图11，调节油门的操作过程为：在运行过程中，用户按动油门调节键S2，可以多次、连续按下，相邻按键的时间间隔应小于3秒，直到目标档位指示灯亮；最后一次按键3秒后，控制器17将油门调节到新设定的档位，换档期间继续按键S2将无反应，同时目标档位指示灯开始闪烁，直到油门调节完毕，指示灯停止闪烁。

参照图9和图12，关机的操作过程为：用户按动关机键S3，3秒后控制器17输出一控制信号使继电器RL2-K2复位，压缩机4停止运转，若此时油门不在“低档位置”，则控制器17先将油门推至“低速位置”，180秒后输出一控制信号使继电器RL3-K3复位，冷凝器水泵7和蒸发器风机15停止运转，接着控制器将油门推至“怠速位置”，内燃机空载运行。若此时蓄电池3正在充电，则输出一控制信号使继电器RL1-K1复位，将蓄电池3接回原电路。180秒后控制器17将油门推至“关闭位置”，内燃机1停止运行；10秒后控制器17将油门拉至“停机位置”，使拉杆28回复自由状态，接着控制器17输出一控制信号，使控制盒风扇25停止运行。为防止误操作，若按动关机键S3后的3秒内，又按下油门调节键S2，则放弃停机。

参照图13，蓄电池3充电控制过程为：正常开机以及在运行过程中，控制子系统17定时检测蓄电池3的电压，当电压低于11.5V时输出一控制信号使继电器RL1-K1动作，将蓄电池3接入充电电路；当充电电压高于13.5V时，输出一控制信号使继电器RL1-K1复位，将蓄电池3接回原电路。

Claims (6)

1、一种独立式内燃机驱动的空调装置，包含一个小型内燃机[1]和一个带有进、排气的压缩机[4]，其特征在于：小型内燃机[1]通过皮带轮分别与压缩机[4]和小型发电机[3]连接，压缩机[4]的排气侧通过管路与水冷式冷凝器[8]或风冷式冷凝器[16]的进口侧连接，水冷式冷凝器[8]或风冷式冷凝器[16]的出口侧通过管路与储液干燥器[9]的进口侧连接，储液干燥器[9]的出口侧通过管路与膨胀阀[10]的进口侧连接，膨胀阀[10]的出口侧通过管路与第二工质蒸发器[13]或风冷式蒸发器[15]的进口侧连接，第二工质蒸发器[13]或风冷式蒸发器[15]的出口侧通过管路与压缩机[4]的吸气侧连接。

2、根据权利要求1所述的独立式内燃机驱动的空调装置，其特征在于：所说的第二工质蒸发器[13]的出口通过管道与保温箱[14]的进口连接，保温箱[14]的出口通过管道与泵[11]的进口连接，泵[11]的出口通过管道与风机盘管[12]的进口连接，风机盘管[12]的出口通过管道与第二工质蒸发器[13]的进口连接。

3、根据权利要求1所述的独立式内燃机驱动的空调装置，其特征在于：所说的水冷式冷凝器[8]的水路进口还分别与水泵[7]、中间水过滤器[6]和水路初级过滤器[5]相连通，入口水路初级过滤器[5]的进口侧与水源连接，水冷式冷凝器[8]的水路出口侧通过水管将水直接排至水源。

4、根据权利要求1所述的独立式内燃机驱动的空调装置，其特征在于：所说的内燃机[1]油门开度的调节依靠控制子系统[17]来完成，控制系统[17]包括连杆传动机构[18]、步进电机[19]、控制电路[21]、操作电路[27]、铅酸蓄电池[3]和单相交流发电机[2]，其中，连杆传动机构[18]包括导轨丝杠[31]和套装在导轨丝杆[31]上的滑块[30]以及与滑块[30]铰接的连杆[29]，连杆[29]的上端与内燃机[1]油门拉杆[28]铰接，导轨丝杠[31]与安装在内燃机[1]机座上的步进电机[19]的输出轴相连，操作电路[27]上设置有有操作指示单元电路即低档指示灯LED1、中档指示灯LED2、高档指示灯LED3、油门调节键S2和关机键S3，控制板[22]上的电路包括电源变换单元、单片机单元、步进电机单元和继电器控制单元，控制板[22]通过带锁紧螺钉的九针D型接插件J7与步进电机[19]的引线相连；通过带锁紧螺钉的九针D型接插件J8、J9和四对屏蔽双绞线电缆[26]与操作电路[27]相连。

5、根据权利要求4所述的独立式内燃机驱动的空调装置，其特征在于：所说的控制电路[21]的前面板上安装有电压表[20]、开机键S1和故障指示灯LED0，后面板上安装有与蓄电池[3]相连接的蓄电池开关[23]、接线端子排[24]和控制器风扇[25]。

6、根据权利要求4所述的独立式内燃机驱动的空调装置，其特征在于：所说的控制子系统[17]的单片机U1的17、16脚输出编码的多路选择信号，同时送至译码器U3和多路器U16的译码输入端，单片机U1的15、14脚分别输出译码器U3、多路器U16的选通信号，这两路选通信号分时工作，保证译码器U3和多路器U16不同时选通，当选通译码器U3时，译码器U3将此编码信号进行解码、进而由驱动电路U4～U7放大，成为步进电机[19]的驱动信号，步进电机[19]接成双相励磁，译码器U3的A组输出Y0、Y1、Y2、Y3分别连至驱动电路U4～U7的第一单元输入，译码器U3的B组输出Y1、Y2、Y3、Y0分别连至驱动电路U4～U7的第二单元输入先将驱动电路U4～U7各自的两个单元输出级并接，再分别连接到步进电机[19]的四个线圈，当选通多路器U16时，多路器U16将此编码信号进行解码，分别选通可变电阻器W0～W3形成的四路电压信号MUX0～MUX3，送至单片机U1的12脚，可变电阻器W4形成的参考电压，送至单片机U1的13脚。

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