CN207113309U - 一种车载相变储能式空调系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种车载相变储能式空调系统，包括制冷/制热单元(100)、导热单元(200)和车载电源(300)，所述制冷/制热单元(100)与导热单元(200)连接，从导热单元(200)吸收热量或向导热单元(200)释放热量；导热单元(200)包括依次连接形成循环回路的相变材料箱(201)、泵(203)、换热件(204)。当外界环境温度较高或较低时，相变材料箱(201)内分别盛有低凝固点或高凝固点的相变材料，以作为冷源或热源通过换热件(204)向车体提供冷量或热量，实现车体温度调控。本实用新型中空调系统可利用夜间低谷电使相变材料进行能量的储存，从而在白天较少耗费车载电源电量的情况下实现车辆的夏季制冷与冬季制热。

Description

一种车载相变储能式空调系统

技术领域

本实用新型涉及一种空调系统，特别涉及一种车载相变储能式空调系统。

背景技术

近年来，电动汽车行业发展迅猛，电动汽车的性能更得到人们的广泛关注。目前，电动汽车的空调在使用方面存在以下问题：

(1)车载空调是电动汽车的第二大耗能部件，尤其在低速电动汽车上，因为车载电源中电池容量较小，一旦开启车载空调会导致续航里程严重下降；但是没有车载空调，夏季高温与冬季低温会严重降低车辆的舒适性，同时影响动力电池的寿命和车辆的安全性。

(2)传统的电动汽车车载空调使用直流压缩机供电，目前优质的车载空调设计制冷量在2.3kw左右，其蒸发温度(即空调制冷温度)一般在12℃以上。受制于压缩机功率限制，在夏季中午高温时，最需要车载空调制冷的时段，由于气温过高，车载空调冷凝器处于过热保护状态，反而空调不工作，导致车载空调效果大打折扣；在冬季，为了保证电动机供电，也不能将暖风机发热功率做的过大，因此制热效果也仅仅是聊胜于无，不能给电动汽车提供良好的空调效果。

(3)目前电网存在着较大的峰谷负荷差，导致了白天用电高峰时产生了缺口，夜间电力又白白浪费，没有利用夜间低谷电价。

因此，亟需提供一种储能式空调系统，从而在不耗费或少消耗车载电源电量的情况下实现车辆的夏季制冷与冬季制热，且充分利用低谷电价，降低使用成本。

实用新型内容

为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果发现：在空调系统中引入相变材料，空调系统可利用夜间低谷电使相变材料进行能量的储存，白天则在较少耗费车载电源电量的情况下实现车辆的夏季制冷与冬季制热，从而完成了本实用新型。

本实用新型的目的在于提供以下技术方案：

(1)一种车载相变储能式空调系统，包括制冷/制热单元100、导热单元200和车载电源300，其中，所述制冷/制热单元100与导热单元200连接，从导热单元200吸收热量或向导热单元200释放热量，

所述导热单元200包括相变材料箱201、泵203、换热件204、以及连接上述装置使其成循环回路的管道，

相变材料箱201内部设有储液器202，储液器202两端通过管道分别与泵203和换热件204连通，其具有设定的体积以向管道提供换热液，

所述换热件204后方设置鼓风机205，通过鼓风机205将换热液传输至换热件204中的热量吹入车体设定部位；

所述车载电源300与导热单元200中的泵203电连接，向泵203提供带动换热液流动的电能。

根据本实用新型提供的一种车载相变储能式空调系统，具有以下有益效果：

(1)本实用新型中空调系统可在夜间利用低谷电使相变材料储能，在白天进行制冷或制热时仅用车载电源提供导热单元中换热液流动的动力，相较于目前空调系统的电力全部由车载电源提供，极大节约了车载电源的消耗，开启空调也完全不影响车辆续航里程；

(2)本实用新型中相变材料箱可储存足够量的相变材料，从而完全保证车辆的制冷与加热效果；

(3)本实用新型空调系统的制冷/制热单元中采用价格低廉、技术成熟稳定的交流压缩机替代目前普遍使用的直流压缩机，利用外部交流电源夜间缓慢蓄冷，白天集中释放使用，降低了车辆使用成本。

附图说明

图1示出空调系统制冷时结构示意图；

图2示出空调系统制热时结构示意图；

图3示出换热件为多个平行排布且连通的翅片管时结构示意图；

图4示出换热件为螺旋换热管时结构示意图。

附图标号说明：

100-制冷/制热单元；

101-压缩机；

102-冷凝器；

103-膨胀阀；

104-蒸发器；

105-干燥过滤器；

106-加热装置；

200-导热单元；

201-相变材料箱；

202-储液器；

203-泵；

204-换热件；

205-鼓风机；

206-集液管；

300-车载电源。

具体实施方式

下面通过对本实用新型进行详细说明，本实用新型的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本实用新型提供了一种车载相变储能式空调系统，如图1和图2所示，所述空调系统包括制冷/制热单元100、导热单元200和车载电源300，其中，所述制冷/制热单元100与导热单元200连接，从导热单元200吸收热量或向导热单元200释放热量；

所述导热单元200包括相变材料箱201、泵203、换热件204、以及连接上述装置使其成循环回路的管道，

相变材料箱201内部设有储液器202，储液器202两端通过管道分别与泵203和换热件204连通，其具有设定的体积以向管道提供换热液，

所述换热件204后方设置鼓风机205，通过鼓风机205将换热液传输至换热件204中的热量吹入车体设定部位；

所述车载电源300与导热单元200中的泵203电连接，向泵203提供带动换热液流动的电能。其中，所述车载电源300为直流电电源(DC)。

在一种优选的实施方式中，所述相变材料箱201为密闭容器，包括外壳和位于其内的相变材料。外壳包括保温层，以隔绝相变材料与外界的热交换。优选地，所述保温层的保温材料为岩棉板、硅酸铝纤维板、聚苯乙烯泡沫板或聚氨酯高密度泡沫板中任意一种，优选为聚氨酯高密度泡沫板。其中，保温层厚度5～8cm。

相变材料根据制冷/制热单元100的功能进行设定。当制冷/制热单元100制冷时，相变材料具有较低的凝固点，以作为冷源；当制冷/制热单元100制热时，相变材料具有较高的凝固点，以储备热量，作为热源。

由于相变材料箱201需要储备足够多的相变材料，同时保温箱需要将相变材料与外接温度进行隔绝，保温层本身也较厚实，因而保温箱体积较大。优选地，将保温箱固定在电动汽车的后备箱，以合理利用电动汽车的空余空间。

在一种优选的实施方式中，与相变材料相接触的储液器202具有较好的导热性能，使储液器202中的换热液与相变材料进行热交换。

在一种优选的实施方式中，换热件204需要具有较大的表面积，以在单位体积内提供较大的换热界面。如图3所示，所述换热件204为多个平行排布且连通的翅片管，翅片管内部流通有传输自储液器202的换热液。

在另一种优选的实施方式中，如图4所示，所述换热件204为螺旋换热管，螺旋换热管以设定形式聚集排布，其内部流通有传输自储液器202的换热液。换热件204本身为螺旋状，通过聚集排布，在单位体积内聚集更多的换热液，便于鼓风机205向车体内吹送高温热能或低温热能。优选地，具有设定长度的螺旋换热管以螺旋状(类弹簧状)排布延伸。

在一种优选的实施方式中，在相变材料箱内部设置与储液器202相连的集液管206，集液管206弯曲排列，其接收传输自换热件204的换热液，使换热液与相变材料换热后进入储液器202。优选地，所述集液管206为弯曲排列的螺旋换热管，更优选为以螺旋状(类弹簧状)排列的螺旋换热管。集液管206一端连接储液器202，另一端连接换热件204，其接收传输自换热件204的换热液，通过弯曲排列的集液管206快速与相变材料换热，之后流入储液器202，与不经集液管206直接流入储液器202相比，可快速实现与相变材料间能量传递，及时向车体设定部位传热或送冷。

本实用新型中，根据季节的不同，即根据车外环境温度的不同，制冷/制热单元100的结构有较大不同。

如图1所示，一方面，在夏季，即车外环境温度普遍偏高时，制冷/制热单元100用于制冷。此时，制冷/制热单元100包括用冷媒管道依次连接形成循环回路的压缩机101、冷凝器102、膨胀阀103、和蒸发器104。

其中，压缩机101为交流压缩机，输入功率约为377W，制冷量不低于480W，其通过连接的电动机与外部交流电源(如市电)电连接。交流压缩机本身就比直流压缩机廉价，直流压缩机需要直流控制器，还需要根据直流电压进行定制，所以成本很高，传统的车载空调，直流压缩机占到了成本的一半以上；而交流压缩机本身就是一个简单的交流感应电机，技术成熟稳定，价格低廉，降低了电动汽车的制造和使用成本。

压缩机101对冷媒管道中的制冷剂蒸汽进行压缩，形成高温高压的气态制冷剂后传输至冷凝器102；所述冷凝器102为换热单元，其与外界进行热交换，使高温高压的气态制冷剂散热后形成高温高压的液态制冷剂；所述膨胀阀103控制液态制冷剂的流量，使制冷剂以气液混合态形式流入蒸发器104，并在蒸发器104内吸收外界热量完全变为气态。

优选地，冷凝器102和膨胀阀103之间设置干燥过滤器105，所述干燥过滤器105过滤制冷剂中的水分和杂质。

蒸发器104和导热单元200中的相变材料箱201连接，蒸发器104中的制冷剂吸收相变材料箱201中的热量变为气态，相变材料箱201中相变材料热量减少，温度降低，其作为冷源降低导热单元200中循环流动的换热液的温度。

此时，导热单元200中管道内换热液为防冻液(如乙二醇基型常规防冻液)或添加防冻液的流体物质(如添加乙二醇基型常规防冻液的水)，其凝固点远小于相变材料凝固点，以避免伴随相变材料降温而凝固，无法流通；同时换热液的沸点较高，挥发性低，增加电动汽车使用时的安全性。

由于制冷/制热单元100用于制冷，相变材料箱201中的相变材料具有较低的凝固点。优选地，所述相变材料为水或可溶盐的水溶液，如0.01mol/L氯化钠水溶液、0.01mol/L氯化钾水溶液或0.01mol/L氯化钙水溶液。

在一种优选的实施方式中，相变材料箱201外尺寸为90*30*50cm，保温层厚度6cm，内部容积53L。当相变材料为水时，相变材料箱201装配40kg蒸馏水，冻结后冰的体积是44L左右，完全冻结时蓄热达4kwh，足够车辆使用4小时左右，制冷效果与制冷量4kw的车载空调相当，较目前车辆装配的车载空调(一般只有制冷量2kw左右)，可保证制更长的冷时间和更好的制冷效果。

在夜间电动汽车充电时，利用插接的220V外部交流电源给压缩机101提供电力，将相变材料箱201中的水冻结成固体。白天需要使用空调制冷时，通过换热液将相变材料箱201中冰存储的冷量供应到车体设定部位中，实现制冷。

另一方面，在冬季，即车外环境温度普遍偏低时，制冷/制热单元100用于制热。此时，制冷/制热单元100包括设置在相变材料箱201中的加热装置106。所述加热装置106为不锈钢加热片，或者带有电加热丝的加热板，加热功率不低于500W。加热装置106通过与外部交流电源电连接，对相变材料进行加热，使相变材料箱201中相变材料升温至凝固点温度上，使其作为提高换热液温度的热源。

由于制冷/制热单元100用于制热，相变材料箱201中的相变材料具有较高的凝固点，所述相变材料优选为水合结晶盐，如CH₃COONa·3H₂O、Ba(OH)₂·8H₂O。

在一种优选的实施方式中，由于上述相变材料在常温下为固体，加热装置106加热时传热性较差，因此，可借助液态传热介质在两者之间传热。

因此，首先对相变材料进行封装，优选地，所述相变材料通过高温密封袋封装。高温密封袋在高温下稳定，不发生泄露，其可为高分子材料加工而成。进一步地，通过带有通孔的隔板将相变材料和加热装置106隔离，避免两者直接接触，从而对高温密封袋局部长时间加热。为使相变材料快速接收加热装置106提供的热量，相变材料箱201中注入液态传热介质，高温密封袋封装的相变材料浸泡在传热介质中。

优选地，所述传热介质可溶盐的水溶液，如过饱和硫酸钠水溶液。可溶盐的水溶液具有较好的传热性，同时，若相变材料为Ba(OH)₂·8H₂O，一旦Ba(OH)₂·8H₂O密封袋破裂泄露，硫酸钠溶液会中和Ba(OH)₂·8H₂O的毒性，将其毒性完全去除。

在一种优选的实施方式中，相变材料箱201外尺寸为90*30*50cm，保温层厚度6cm，内部容积53L。相变材料箱201中安装不锈钢加热片，加热功率500W，加热控制温度为85℃。蓄热材料为封装的Ba(OH)₂·8H₂O，其泡在过饱和硫酸钠溶液中，依靠硫酸钠溶液进行导热升温。Ba(OH)₂·8H₂O相变潜热约290kJ/kg，比热容约4.5kJ/(kg·℃)，熔点78.5℃，装配35kg Ba(OH)₂·8H₂O，加热到85℃可以储备约4.5kwh热量。Ba(OH)₂·8H₂O密度为2.18g/cm³，35kg Ba(OH)₂·8H₂O体积约16L，可以轻松放置到保温箱中。

在夜间电动汽车充电时，利用插接的220V外部交流电源给加热装置106提供电力，将相变材料箱201中的蓄热相变材料融化成液体，白天需要使用空调制热式，通过换热液将相变材料箱201中蓄热相变材料存储的热量供应到车体设定部位中，实现制热。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本实用新型进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本实用新型的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本实用新型精神和范围的情况下，可以对本实用新型技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本实用新型的范围内。本实用新型的保护范围以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种车载相变储能式空调系统，包括制冷/制热单元(100)、导热单元(200)和车载电源(300)，其中，所述制冷/制热单元(100)与导热单元(200)连接，向导热单元(200)吸收或释放热量，其特征在于，

所述导热单元(200)包括相变材料箱(201)、泵(203)、换热件(204)、以及连接上述装置使其成循环回路的管道，

相变材料箱(201)内部设有储液器(202)，储液器(202)两端通过管道分别与泵(203)和换热件(204)连通，其具有设定的体积以向管道中提供换热液，

所述换热件(204)后方设置鼓风机(205)，通过鼓风机(205)将换热液传输至换热件(204)中的热量吹入车体设定部位；

所述车载电源(300)与导热单元(200)中的泵(203)电连接，向泵(203)提供带动换热液流动的电能。

2.根据权利要求1所述的空调系统，其特征在于，所述相变材料箱(201)为密闭容器，包括外壳和位于其内的相变材料，其中，所述外壳包括保温层，隔绝相变材料与外界的热交换。

3.根据权利要求1或2所述的空调系统，其特征在于，所述换热件(204)为多个平行排布且连通的翅片管，翅片管内部流通有传输自储液器(202)的换热液。

4.根据权利要求1或2所述的空调系统，其特征在于，所述换热件(204)为螺旋换热管，螺旋换热管以设定形式聚集排布。

5.根据权利要求1所述的空调系统，其特征在于，在相变材料箱内部设置与储液器(202)相连的集液管(206)，所述集液管(206)弯曲排列，其接收传输自换热件(204)的换热液，使换热液与相变材料热交换后进入储液器(202)。

6.根据权利要求1所述的空调系统，其特征在于，制冷/制热单元(100)制冷时，其包括用冷媒管道依次连接形成循环回路的压缩机(101)、冷凝器(102)、膨胀阀(103)和蒸发器(104)。

7.根据权利要求6所述的空调系统，其特征在于，压缩机(101)对冷媒管道中的制冷剂蒸汽进行压缩，形成高温高压的气态制冷剂后传输至冷凝器(102)；

所述冷凝器(102)与外界进行热交换，使高温高压的气态制冷剂散热后形成高温高压的液态制冷剂；

所述膨胀阀(103)控制液态制冷剂的流量，使制冷剂以气液混合态形式流入蒸发器(104)，并在蒸发器(104)内吸收外界热量完全变为气态。

8.根据权利要求6或7所述的空调系统，其特征在于，蒸发器(104)和导热单元(200)中的相变材料箱(201)连接，蒸发器(104)中的制冷剂吸收相变材料箱(201)中的热量，使相变材料箱(201)中热量减少，导热单元(200)中循环流动的换热液的温度降低。

9.根据权利要求1所述的空调系统，其特征在于，制冷/制热单元(100)制热时，制冷/制热单元(100)包括设置在相变材料箱(201)中的加热装置(106)。

10.根据权利要求9所述的空调系统，其特征在于，所述相变材料用高温密封袋封装，通过带有通孔的隔板与加热装置(106)隔离，并通过注入相变材料箱(201)中的液态传热介质吸收加热装置提供的热量。