CN207416860U - 用于轨道车辆的带中间补气的空气源热泵系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及空气源热泵技术领域，公开了一种用于轨道车辆的带中间补气的空气源热泵系统，包括两个配置相同的热泵子系统；热泵子系统包括循环连通的压缩机、车外换热器、主路节流阀、中间换热器的主流路管、车内换热器和气液分离器；四通换向阀的四个接口分别连接压缩机的排气口、车外换热器、气液分离器和车内换热器，切换四通换向阀能实现压缩空气的正向流通或逆向流通；补气支路上设置有节流单元和中间换热器的支流路管，支流路管的输出端与压缩机的补气口连通，支流路管的输入端与节流单元的输出端连通；节流单元的输入端与两条分流管路汇流后的管路连通。本实用新型中的热泵系统，提高了系统低温制热的运行效率，同时提高了系统安全性。

Description

用于轨道车辆的带中间补气的空气源热泵系统

技术领域

本实用新型涉及空气源热泵技术领域，特别是涉及一种用于轨道车辆的带中间补气的空气源热泵系统。

背景技术

在我国北方寒冷地区，目前城市轨道车辆空调系统普遍采用单冷型空调机组配合电加热的方式实现制冷和制热。单冷型空调机组示意图如图1中所示，系统采用双回路形式，即整个机组由两套相对独立的制冷子系统组成，分别为制冷子系统1和制冷子系统2。其中，两套制冷子系统的构成部件、管路连接方式均相同，两套制冷子系统的制冷剂流路相互独立，但是两个车内换热器均接入在两套制冷子系统的循环回路中进行换热。

如图1中所示，制冷子系统1由压缩机101、车外换热器103、车内换热器105、气液分离器106依次循环连通；制冷子系统2由压缩机101’、车外换热器103’、车内换热器105’、气液分离器106’依次循环连通。制冷时，制冷子系统1中的压缩机101将压缩制冷剂后形成的高温高压制冷剂气体输入至车外换热器103，制冷剂气体在车外换热器103内冷凝放热，变为过冷液体；然后分成两路分别进入两个车内换热器中进行换热，其中一路通过第一主路节流阀104节流降压后输入至车内换热器105中进行换热，另一路通过第二主路节流阀118节流降压后输入至车内换热器105’中进行换热；在两个车内换热器内换热后的制冷剂输出后再次汇合为一路，通过气液分离器106，进行气液分离，然后进入压缩机101进行下一轮循环。同理，在制冷子系统2的循环中，压缩机101’将压缩制冷剂后形成的高温高压制冷剂气体输入至车外换热器103’，制冷剂气体在车外换热器103’内冷凝放热，变为过冷液体；然后分成两路分别进入两个车内换热器中进行换热，其中一路通过第一主路节流阀104’节流降压后输入至车内换热器105’中进行换热，另一路通过第二主路节流阀118’节流降压后输入至车内换热器105中进行换热；在两个车内换热器内换热后的制冷剂输出后再次汇合为一路，通过气液分离器106’，进行气液分离，然后进入压缩机101’进行下一轮循环。

该系统只能按照制冷模式运行，夏季时，轨道车辆车厢内靠安装于车顶的风冷单元式空调机组提供冷量，而冬季空调机组的压缩机是不工作的，车厢内供暖主要靠电加热器。这样一方面造成空调机组利用率低，另一方面采用电加热器来供暖耗能多且效率低，还存在一定的安全隐患。

因此，空气源热泵系统开始受到关注。空气源热泵是在上述单冷型空调机组中接入四通阀，通过换向实现制冷剂的正反向流通，进而实现制冷过程或制热过程。但是，常规空气源热泵系统在环境温度低于-5℃时，系统制热量和性能会急剧衰减，严重时设备将无法正常工作，导致供热中断。

实用新型内容

(一)要解决的技术问题

本实用新型的目的是提供一种用于轨道车辆的带中间补气的空气源热泵系统，以解决现有的空气源热泵系统在低温环境下工作效率差的缺陷。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种用于轨道车辆的带中间补气的空气源热泵系统，包括两个配置相同的热泵子系统；每个所述热泵子系统包括依次循环连通的压缩机、车外换热器、主路节流阀、中间换热器的主流路管、车内换热器和气液分离器；每个所述主流路管均通过分流管路与两个热泵子系统中的车内换热器连通；每个所述热泵子系统还包括：

四通换向阀，所述四通换向阀的四个接口分别连接所述压缩机的排气口、所述车外换热器、所述气液分离器和所述车内换热器，切换所述四通换向阀能实现压缩空气的正向流通或逆向流通；

补气支路，所述补气支路上设置有节流单元和所述中间换热器的支流路管，所述支流路管的输出端与所述压缩机的补气口连通，所述支流路管的输入端与所述节流单元的输出端连通；所述节流单元的输入端与两条所述分流管路汇流后的管路连通。

其中，所述节流单元包括支路节流阀。

其中，所述节流单元还包括截止阀。

其中，所述支流路管的输出端与所述补气口之间还连接有单向阀。

其中，所述中间换热器为三通路换热器，所述主流路管包括第一主流路管与第二主流路管，所述主路节流阀包括第一主路节流阀和第二主路节流阀，所述第一主路节流阀与所述第一主流路管连接，所述第二主路节流阀与所述第二主流路管连接。

其中，所述第一主流路管的两端并联设置有第一旁路，所述第二主流路管的两端并联设置有第二旁路，所述第一旁路和所述第二旁路中均连接有截止阀。

其中，所述主流路管的一端还连接有截止阀。

其中，所述分流管路上均设有截止阀。

(三)有益效果

本实用新型提供的用于轨道车辆的带中间补气的空气源热泵系统，在外温较低的情况下，利用压缩机中间补气技术，将中间压力下的制冷剂喷入压缩机内，既能加大压缩机排气流量，增加室内换热器中制冷剂的流量，加强换热效果，使系统在低温状态下能从室外吸收更多热量供给室内，加强热泵效率；又可以降低压缩机排气温度，防止因压缩机排气温度过高而破坏压缩机润滑油，进而保证压缩机的正常工作。本实用新型中的热泵系统，提高了系统低温制热的运行效率，同时提高了系统安全性。

附图说明

图1为现有技术中用于轨道车辆的普通单冷型空调系统示意图；

图2为本实用新型实施例中用于轨道车辆的带中间补气的空气源热泵系统示意图之一；

图3为本实用新型实施例中用于轨道车辆的带中间补气的空气源热泵系统示意图之二；

图中，101、101’--压缩机；102、102’--四通换向阀；103、103’--车外换热器；104、104’--第一主路节流阀；105、105’--车内换热器；106、106’--气液分离器；107、107’--两通路中间换热器；108、108’--支路节流阀；109、109’、112、112’、113、113’、114、114’、115、115’、116、116’、117、117’--截止阀；110、110’--单向阀；111、111’--三通路中间换热器；118、118’--第二主路节流阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，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。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型中出现的“制冷”主要是指在室外环境温度较高时，通过机组运行来为室内提供冷量；“常规制热”一般指在室外环境温度较低又不是特别低的情况下(-5℃以上)，通过机组运行来为车室提供热量；“低温制热”是在室外环境温度很低时(-5℃以下)，通过带补气的热泵机组运行来为车室提供热量，“常规制热”是相对“低温制热”而言的。本实用新型采用带中间补气的准二级压缩的形式。

本实用新型中涉及的“高温”、“高压”、“低温”、“低压”均为常见的术语，具体的“高温”、“高压”的制冷剂大体上指在制冷或制热循环中从压缩机排气口输出并且直至进入主路节流阀之前的制冷剂，“低温”、“低压”的制冷剂大体上指经过主路节流阀节流之后直至回到压缩机之前的制冷剂。本实用新型还引入“中间压力/温度”或“补气压力/温度”，是指低温制热模式中连通压缩机补气口的补气支路的压力或温度。

本实用新型中涉及的“两通路中间换热器”是指有两条管路供介质进行换热的换热器，在低温制热模式时用作高压流体和中间压力下流体的换热；“三通路中间换热器”是指内部有三条管路供流体进行换热的换热器，在低温制热模式时用作两路高压流体和一路中间压力下流体的换热。

需要说明的是，本实用新型中提到的制冷剂指在管路中流通的各种状态下的空气。

图1为现有技术中用于轨道车辆的普通单冷型空调系统示意图；图2为本实用新型实施例中用于轨道车辆的带中间补气的空气源热泵系统示意图之一；图3为本实用新型实施例中用于轨道车辆的带中间补气的空气源热泵系统示意图之二。

本实用新型提供一种用于轨道车辆的带中间补气的空气源热泵系统，包括两个配置相同的热泵子系统。每个热泵子系统包括依次循环连通的压缩机、车外换热器、主路节流阀、中间换热器的主流路管、车内换热器和气液分离器。每个主流路管均通过分流管路与两个热泵子系统中的车内换热器连通。每个热泵子系统还包括：

四通换向阀，四通换向阀的四个接口分别连接压缩机的排气口、车外换热器、气液分离器和车内换热器，切换四通换向阀能实现压缩空气的正向流通或逆向流通。

以及补气支路。补气支路上设置有节流单元和中间换热器的支流路管，支流路管的输出端与压缩机的补气口连通，支流路管的输入端与节流单元的输出端连通。节流单元的输入端与两条分流管路汇流后的管路连通。

优选地，节流单元包括支路节流阀，用于将支路上流通的制冷剂进行节流降压，以形成中间压力的制冷剂。更优选地，节流单元还包括截止阀，截止阀用于关断支路上的制冷剂通路，如果上述的支路节流阀能起到关断作用，可不设置截止阀。进一步地，支流路管的输出端与补气口之间还连接有单向阀，单向阀用于保证产生的中间压力的制冷剂只能单向流通，防止压缩机故障。

实施例1

具体地，如图2中所示，本实施例中提供的用于轨道车辆的带中间补气的空气源热泵系统，包括两个配置相同的热泵子系统，分别为热泵子系统1和热泵子系统2，两个热泵子系统的设备配置和管路连接方式均相同，此处以热泵子系统1为例来进行说明。

需要说明的是，由于热泵子系统1和热泵子系统2的工作过程完全相同，为精简说明书内容，避免造成过多的不必要的文字说明，热泵子系统2的工作过程在阐述热泵子系统1的过程时同时进行阐述，并以括号中标注附图标记的形式出现。例如，“热泵子系统1(2)包括依次循环连通的压缩机101(101’)、车外换热器103(103’)……”表示“热泵子系统1包括依次循环连通的压缩机101、车外换热器103……；热泵子系统2包括依次循环连通的压缩机101’、车外换热器103’……”。

下面以热泵子系统1(2)的工作过程为例说明。

热泵子系统1(2)包括依次循环连通的压缩机101(101’)、车外换热器103(103’)、第一主路节流阀104(104’)、中间换热器的主流路管、车内换热器105(105’)和气液分离器106(106’)，此处的中间换热器采用两通路中间换热器107(107’)，两通路中间换热器107(107’)中包含主流路管和支流路管这两套换热管。每个主流路管均通过分流管路与两个热泵子系统中的车内换热器连通，如图1中所示，两通路中间换热器107(107’)中的主流路管通过一条分流管路连接在车内换热器105(105’)，通过另一条分流管路连接在车内换热器105’(105’)。此外，每个热泵子系统还包括四通换向阀102(102’)，四通换向阀102(102’)的四个接口分别连接压缩机101(101’)的排气口、车外换热器103(103’)、气液分离器106(106’)和车内换热器105(105’)(同时连接车内换热器105’(105)，切换四通换向阀能实现压缩空气的正向流通或逆向流通。

以及还连接有补气支路。补气支路上设置有节流单元和中间换热器的支流路管，支流路管的输出端与压缩机101(101’)的补气口连通，支流路管的输入端与节流单元的输出端连通。节流单元的输入端与两条分流管路汇流后的管路连通。

具体工作过程如下：

夏天车室外温度较高时，系统工作在制冷模式下，以热泵子系统1(2)的工作过程为例：切换四通换向阀102(102’)，使其连通压缩机101(101’)的排气管路与车外换热器103(103’)，同时使其连通车内换热器105(105’)和气液分离器106(106’)。制冷时，补气支路上的截止阀109(109’)关闭，整个补气支路不工作。从压缩机101(101’)输出的高温高压制冷剂气体经过四通换向阀102(102’)进入车外换热器103(103’)，此时车外换热器103(103’)作为冷凝器，制冷剂在其内部冷凝放热变为高压液体，然后进入第一主路节流阀104(104’)，节流降压后变为低温低压气液混合态的制冷剂，再经过两通路中间换热器107(107’)后通过两条分流管路分为两路，分别进入车内换热器105(105’)和车内换热器105’(105)，此时两通路中间换热器107(107’)不工作，仅仅作为管路的形式存在。制冷剂在车内换热器105(105’)和车内换热器105’(105)中蒸发吸热变为低温低压气体后输出，输出的制冷剂气体先汇流混合，然后经过四通换向阀102(102’)进入气液分离器106(106’)中，气液分离后进入压缩机101(101’)，开始下一轮循环。同理，热泵子系统2的工作过程与此相同，在此不再赘述。

需要说明的是，在工况发生变化时，可根据压缩机101(101’)出口的过热度来调节第一主路节流阀104(104’)的开度。

此实施例在制冷运行时由于分流前制冷剂的状态为气液两相，因此可能会出现分流后进入车内换热器105(105’)和车内换热器105’(105)的制冷剂分配不均的现象。

冬天车室外温度较低时，如外温在-5℃以上，系统工作在常规制热模式下，以热泵子系统1(2)的工作过程为例：切换四通换向阀102(102’)，使其连通压缩机101(101’)的排气管路与车内换热器105(105’)，同时使其连通车外换热器103(103’)和气液分离器106(106’)。补气支路上的截止阀109(109’)关闭，整个补气支路不工作。制热时，从压缩机101(101’)输出的高温高压制冷剂气体经过四通换向阀102(102’)后分成两路，分别进入车内换热器105(105’)和车内换热器105’(105)，此时车内换热器105(105’)和车内换热器105’(105)作为冷凝器，制冷剂在其内部冷凝放热变为高温高压液体，从两个车内换热器输出的制冷剂汇合后，经过两通路中间换热器107(107’)进入第一主路节流阀104(104’)，节流降压后变为低温低压气液混合态的制冷剂(此时两通路中间换热器107(107’)不工作)，然后进入车外换热器103(103’)，制冷剂在车外换热器103(103’)中蒸发吸热为低温低压气体，之后经四通换向阀102(102’)、气液分离器106(106’)后进入压缩机101(101’)，进行下一轮循环。

如果车外换热器103(103’)结霜严重，可以切换为制冷模式来进行除霜，一般一个热泵子系统除霜运行时另一个热泵子系统仍按制热模式运行，这样可以保证车厢内不吹冷风。

当室外环境温度低于-5℃时，系统工作在低温制热模式下：在四通换向阀102(102’)内部，压缩机101(101’)的排气管路与车内换热器105(105’)相连通，压缩机101(101’)的吸气管路通过气液分离器106(106’)后与车外换热器103(103’)相连通。补气支路上的截止阀109(109’)打开，整个补气支路参与循环。低温制热时，从车内换热器105(105’)和车内换热器105’(105)中输出的制冷剂汇合后，分成两路，一路制冷剂进入补气支路，经补气支路上的支路节流阀108(108’)节流降压，得到低于冷凝压力而高于蒸发压力的中间压力下的气液两相制冷剂，然后进入两通路中间换热器107(107’)，与主流路管中未经节流的高温高压制冷剂液体进行换热，蒸发吸热后变为中间压力下气态或气液两相混合态的制冷剂，经单向阀110(110’)进入压缩机101(101’)的补气口，与压缩机内正在被压缩的制冷剂混合。另一路制冷剂直接进入两通路中间换热器107(107’)中，即进入主流路管中，与补气支路中的制冷剂换热后进一步降温，过冷度增大，然后经第一主路节流阀104(104’)节流降压，再进入车外换热器103(103’)，主路其他部分与常规制热循环相同。低温制热模式下，补气支路的压力、流量可以通过支路节流阀108(108’)在一定范围内进行调节。另外，在低温制热模式下如果机组的制热量不能满足车室需求，可以开启风道上设置的辅助电加热器来提供足够的热量。

本实用新型提供的用于轨道车辆的带中间补气的空气源热泵系统，在外温较低的情况下，利用压缩机中间补气技术，将中间压力下的制冷剂喷入压缩机内，既能加大压缩机排气流量，增加室内换热器中制冷剂的流量，加强换热效果，使系统在低温状态下能从室外吸收更多热量供给室内，加强热泵效率；又可以降低压缩机排气温度，防止因压缩机排气温度过高而破坏压缩机润滑油，进而保证压缩机的正常工作。本实用新型中的热泵系统，提高了系统低温制热的运行效率，同时提高了系统安全性。

实施例2

本实施例中的方案与实施例1中的方案类似，不同之处在于，本实施例中的中间换热器采用三通路换热器，如图3中所示。

以热泵子系统1(2)为例，三通路换热器111(111’)中的主流路管分成两条，分别为第一主流路管与第二主流路管，主路节流阀包括第一主路节流阀104(104’)和第二主路节流阀118(118’)，因为增加了一条主流路管，因此增加一个主路节流阀来实现主流路管的独立控制。第一主路节流阀104(104’)与第一主流路管连接，第二主路节流阀118(118’)与第二主流路管连接。分流管路上均设有截止阀。

进一步，第一主流路管的两端并联设置有第一旁路，第二主流路管的两端并联设置有第二旁路，第一旁路上连接有截止阀117(117’),第二旁路中连接有截止阀114(114’)。进一步地，主流路管的一端还连接有截止阀，即第一主流路管外连接有截止阀116(116’)，第二主流路管外连接有截止阀115(115’)。

具体地，低温制热时，旁路上的截止阀114(114’)、截止阀117(117’)关闭，截止阀112(112’)、113(113’)、115(115’)、116(116’)四个均打开。两个车内换热器作为冷凝器，从两个车内换热器输出的两路高温液态制冷剂各自分出一支路分别流经截止阀112(112’)、113(113’)，汇合后组成补气支路，经过补气支路上的支路节流阀108(108’)，进入三通路中间换热器111(111’)，与两条主流路管中的制冷剂在换热器内换热，两条主流路管中的制冷剂进一步过冷，然后进入各自的主路节流阀节流降压后汇合，再进入车外换热器103(103’)进行后续工作。补气支路中的制冷剂吸热后变成气液两相或过热气体，输入至压缩机补气口。

制冷模式时，截止阀112(112’)、113(113’)、115(115’)、116(116’)关闭，截止阀114(114’)、117(117’)打开。车外换热器103(103’)作为冷凝器，输出的液态制冷剂分成两路，分别通过各自的主路节流阀，分别进入两个车内换热器中。由于从车外换热器103(103’)输出的制冷剂是液体，在分液时不会出现分液不均的现象，可以实现对两个车内换热器流路的独立控制，保证换热器的高效运行，提高整个系统的性能。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于轨道车辆的带中间补气的空气源热泵系统，其特征在于，包括两个配置相同的热泵子系统；每个所述热泵子系统包括依次循环连通的压缩机、车外换热器、主路节流阀、中间换热器的主流路管、车内换热器和气液分离器；每个所述主流路管均通过分流管路与两个热泵子系统中的车内换热器连通；每个所述热泵子系统还包括：

四通换向阀，所述四通换向阀的四个接口分别连接所述压缩机的排气口、所述车外换热器、所述气液分离器和所述车内换热器，切换所述四通换向阀能实现压缩空气的正向流通或逆向流通；

补气支路，所述补气支路上设置有节流单元和所述中间换热器的支流路管，所述支流路管的输出端与所述压缩机的补气口连通，所述支流路管的输入端与所述节流单元的输出端连通；所述节流单元的输入端与两条所述分流管路汇流后的管路连通。

2.如权利要求1所述的空气源热泵系统，其特征在于，所述节流单元包括支路节流阀。

3.如权利要求2所述的空气源热泵系统，其特征在于，所述节流单元还包括截止阀。

4.如权利要求1所述的空气源热泵系统，其特征在于，所述支流路管的输出端与所述补气口之间还连接有单向阀。

5.如权利要求1所述的空气源热泵系统，其特征在于，所述中间换热器为三通路换热器，所述主流路管包括第一主流路管与第二主流路管，所述主路节流阀包括第一主路节流阀和第二主路节流阀，所述第一主路节流阀与所述第一主流路管连接，所述第二主路节流阀与所述第二主流路管连接。

6.如权利要求5所述的空气源热泵系统，其特征在于，所述第一主流路管的两端并联设置有第一旁路，所述第二主流路管的两端并联设置有第二旁路，所述第一旁路和所述第二旁路中均连接有截止阀。

7.如权利要求6所述的空气源热泵系统，其特征在于，所述主流路管的一端还连接有截止阀。

8.如权利要求5所述的空气源热泵系统，其特征在于，所述分流管路上均设有截止阀。