CN219222664U - 空气冷媒循环式空气冷却器及空调器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种空气冷媒循环式空气冷却器及空调器，该空气冷媒循环式空气冷却器包括送风用风扇、压缩用风扇、空气换热器、膨胀涡轮以及出风口；送风用风扇，用于吸入室内空气后使其分流至压缩用风扇、空气换热器的第一通道；压缩用风扇，用于压缩空气后使其进入空气换热器的第二通道，第一通道与第二通道之间进行热交换；膨胀涡轮，用于使通过第二通道的空气膨胀后通过出风口输送至室内。本实用新型实施例采用压缩风扇及膨胀涡轮实现压缩空气制冷循环，减小了制冷所需空气量及设备体积，适于家用，可以实现不产生温室气体对环境友好的空气冷却器，且具有在设备破损时危险性低、不会泄漏氟系冷媒及冷冻机油的优点。

Description

空气冷媒循环式空气冷却器及空调器

技术领域

本实用新型涉及压缩空气制冷技术领域，具体而言，涉及一种空气冷媒循环式空气冷却器及空调器。

背景技术

目前为了改善气候变化问题，削减温室气体，开发了各种全球变暖潜能值低的冷媒。其中一项措施是采用将空气作为冷媒的压缩空气制冷循环(逆布雷顿循环)。但是压缩空气制冷循环系统和目前空调常用的制冷剂循环制冷系统(利用氟系制冷剂相变的系统)相比，仅适用于温度在-50℃左右的超低温冷柜等，并且要求压缩比大于2，其用于像仓库一样的大型冷柜，需冷却的空气量大，用于压缩空气的压缩器也需大型化，设备本体的尺寸大致会达到一辆大巴车的大小。因此压缩空气制冷系统很难转到家用空调上。

实用新型内容

本实用新型解决的是现有压缩空气制冷循环系统无法应用至家用空调的问题。

为解决上述问题，本实用新型实施例提供一种空气冷媒循环式空气冷却器，包括送风用风扇、压缩用风扇、空气换热器、膨胀涡轮以及出风口；所述送风用风扇，用于吸入室内空气后使其分流至所述压缩用风扇、所述空气换热器的第一通道；所述压缩用风扇，用于压缩空气后使其进入所述空气换热器的第二通道，所述第一通道与所述第二通道之间进行热交换；所述膨胀涡轮，用于使通过第二通道的空气膨胀后通过出风口输送至室内。

本实用新型实施例采用压缩风扇及膨胀涡轮实现压缩空气制冷循环，减小了制冷所需空气量及设备体积，适于家用，可以实现不产生温室气体对环境友好的空气冷却器，且具有在设备破损时危险性低、不会泄漏氟系冷媒及冷冻机油的优点。

可选地，所述压缩用风扇的压缩比小于或等于1.4，和/或，压缩后空气的流量小于或等于10m³/min。

本实用新型实施例采用上述设置，可以减小制冷所需空气量及设备体积，使空气冷却器适于家用。

可选地，所述送风用风扇与所述压缩用风扇共用同一个电机轴驱动。

本实用新型实施例通过将送风用风扇与压缩用风扇共用同一个电机轴驱动，可以提高结构紧凑性，减小两风扇占用的空间。

可选地，所述电机轴还连接所述膨胀涡轮，用于回收所述膨胀涡轮的膨胀能。

本实用新型实施例中由该膨胀涡轮回收膨胀能，可以用于驱动上述送风用风扇与压缩用风扇等。

可选地，所述送风用风扇、所述压缩用风扇与所述膨胀涡轮同轴连接。

本实用新型实施例可以将三者沿某一轴依次串联设置，从而提高结构紧凑性，减小占用空间。

可选地，还包括电机，所述电机用于驱动所述送风用风扇、所述压缩用风扇，且与所述膨胀涡轮连接以回收所述膨胀涡轮的膨胀能。

本实用新型实施例通过电机提供动力，实现制冷目的。

可选地，所述出风口包括具有康达效应的喷嘴，所述喷嘴包括凸出的表面，在所述表面上设置有多个出风孔。

本实用新型实施例利用压缩空气，在喷嘴出风时吸入周边空气，可以在设备出风时增加出风量，从而保证风量足够。

可选地，还包括排气管，经过所述第一通道的空气通过所述排气管输送至室外。

本实用新型实施例经过第一通道的空气通过排气管输送至室外，从而排出温度上升后的冷却用空气

可选地，还包括滤网和/或隔音材料；所述滤网、所述隔音材料设置于所述送风用风扇的进风侧。

本实用新型实施例可以防止灰尘等吸入设备内部以及降低进风噪声的作用

本实用新型实施例提供一种空调器，包括上述空气冷媒循环式空气冷却器。

本实用新型提供的移动空调，可以与上述空气冷媒循环式空气冷却器达到相同的技术效果。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种空气冷媒循环式空气冷却器的空气冷媒循环原理示意图；

图2为本实用新型实施例提供的空气冷媒循环部的纵截面示意图。

附图标记说明

11-送风用风扇；12-压缩用风扇；13-空气对空气换热器；14-膨胀涡轮；21-空气吸入口；22-出风口；23-排气口；24-风扇电机；25-滤网、通气性隔音材料。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施例做详细的说明。

本实用新型实施例可以将压缩空气制冷循环(逆布雷顿循环)应用到移动式个人用空气冷却器上。本实施例中实现在小型设备上应用，将压缩后的空气的流量控制到10m³/min以下，冷却时的温差控制在10℃以下，从而可以将压缩比控制在1.4以下。若将应用对象限定为移动式个人用空气冷却器(制冷能力0.5kW左右)，则上述空气流量及温差限制也不会成为缺点；另外针对与采用氟系冷媒的空调相比效率差的问题，也因为制冷能力限定在0.5kW左右，耗电量的绝对量小，因此也不算一个很大的缺点。另外利用压缩空气，在喷嘴出风时吸入周边空气，可以在设备出风时增加出风量，从而保证风量。并且由于本实用新型中将空气做为冷媒使用，因此与类似的采用氟系冷媒的移动空调相比较，制冷循环系统内的压力大约只有其百分之一，因此还具有在设备破损时危险性低的优点，且具有在破损时不会泄漏氟系冷媒及冷冻机油的有点。移动空调应用于室内且距离人员较近，破损时危险性低这一点十分重要。

本实用新型实施例提供的空气冷媒循环式空气冷却器，包括送风用风扇、压缩用风扇、空气换热器、膨胀涡轮以及出风口。

其中，上述送风用风扇，用于吸入室内空气后使其分流至压缩用风扇、空气换热器的第一通道；上述压缩用风扇，用于压缩空气后使其进入空气换热器的第二通道，第一通道与第二通道之间进行热交换；上述膨胀涡轮，用于使通过第二通道的空气膨胀后通过出风口输送至室内。上述第一通道与第二通道彼此隔离且相邻。

上述空气冷却器利用送风用风扇吸入室内空气后使其分流，一部分送到压缩用风扇，另外一部分(非压缩空气)送到空气换热器中。送到压缩用风扇的空气在受压缩后温度升高，并且受直接被送入空气换热器内的上述非压缩空气冷却，冷却后的压缩空气进一步在膨胀涡轮内膨胀，从而膨胀后的空气温度可以降低到低于室温的水平，以形成冷却空气，输送回室内，实现对房间的降温。

本实用新型实施例提供的空气冷媒循环式空气冷却器，采用压缩风扇及膨胀涡轮实现压缩空气制冷循环，减小了制冷所需空气量及设备体积，适于家用，可以实现不产生温室气体对环境友好的空气冷却器，且具有在设备破损时危险性低、不会泄漏氟系冷媒及冷冻机油的优点。

考虑到家用环境对体积和冷却用风量的限制，将压缩用风扇的压缩比限制为小于或等于1.4，和/或，将压缩后空气的流量小于或等于10m³/min，或，将冷却时的温差控制在10℃左右。基于上述设置，可以减小制冷所需空气量及设备体积，使空气冷却器适于家用。

其中，送风用风扇与压缩用风扇共用同一个电机轴驱动。通过将送风用风扇与压缩用风扇共用同一个电机轴驱动，可以提高结构紧凑性，减小两风扇占用的空间。需要说明的是，该送风用风扇与压缩用风扇的转速可以不同。

可选地，上述电机轴还连接膨胀涡轮，用于回收膨胀涡轮的膨胀能。压缩空气在膨胀涡轮处膨胀，且由该膨胀涡轮回收膨胀能，可以用于驱动上述送风用风扇与压缩用风扇等。

可选地，送风用风扇、压缩用风扇与膨胀涡轮同轴连接。通过送风用风扇、压缩用风扇与膨胀涡轮同轴连接，可以将三者沿某一轴依次串联设置，从而提高结构紧凑性，减小占用空间。空气可以依次通过送风用风扇、压缩用风扇与膨胀涡轮，输出冷却空气至室内。

进一步，上述空气冷却器还包括电机，该电机用于上述驱动送风用风扇、压缩用风扇，且该电机与膨胀涡轮连接以回收膨胀涡轮的膨胀能。

本实施例中利用压缩空气，在喷嘴出风时吸入周边空气，可以在设备出风时增加出风量，从而保证风量足够。基于此，上述出风口包括具有康达效应的喷嘴，该喷嘴包括凸出的表面，在上述表面上设置有多个出风孔。冷却空气自上述出风口流出时，利用康达效应吸入喷嘴周围的室内空气，使冷却风与室内空气混合，避免混合风温度过高或过低，保证基本的凉爽出风。

可选地，上述空气冷却器还包括排气管，经过第一通道的空气通过排气管输送至室外，从而排出温度上升后的冷却用空气。

可选地，上述空气冷却器还包括滤网和/或隔音材料，该滤网、隔音材料均设置于送风用风扇的进风侧。上述滤网可以防止灰尘等吸入设备内部，上述隔音材料为通气性材料，起到降低进风噪声的作用。

图1示出了本实用新型实施例提供的空气冷媒循环式空气冷却器的空气冷媒循环原理示意图。以下结合图1对本实用新型实施例的原理进行说明。图1中示出了送风用风扇11、压缩用风扇12、空气对空气换热器13及膨胀涡轮14。在图1中以箭头示出了空气的流动路径。

送风用风扇11吸入室内空气后使其分流，一部分送到压缩用风扇12，另外一部分送到空气对空气换热器13中。送到压缩用风扇12的空气在受压缩后温度升高，并且受直接被送入空气对空气换热器13内的非压缩空气冷却，冷却后的压缩空气在膨胀涡轮14内膨胀，从而膨胀后的空气温度可以降低到低于室温的水平，以形成冷却空气，输送回室内，实现对房间的降温。

图2示出了本实用新型实施例提供的空气冷媒循环部的纵截面示意图，示出了空气吸入口21、将冷却空气排出至室内的出风口22以及将温度上升后的冷却用空气排出至室外的排气口23。上述空气冷媒循环部还包括外部圆柱形壳体，用于容纳上述各部件。

在图2中示出了送风用风扇11、压缩用风扇12、空气对空气换热器13依次同轴连接，其中还设置了驱动用的风扇电机24。

图2中的空气冷媒循环部由用于从周边吸入空气的送风用风扇、将所吸入的空气进行压缩的压缩用风扇、对压缩空气和非压缩空气进行换热的空气换热器、以及对压缩空气进行膨胀并回收膨胀能的膨胀涡轮构成。另外，根据需求在送风用风扇的进风侧，还可以设置防止灰尘等吸入设备内部的滤网、通气性隔音材料25。在图2中以箭头示出了空气的流动路径。

接下来以具体数值为例对设备的动作进行说明。

前提条件

房间空气干球温度27℃、湿球温度19℃、相对湿度RH＝46.6％

空气比热比1.4

空气换热器的换热温度效率0.8

吸入后被分为两部分的空气中，将返回室内的空气称为循环空气，而用于冷却的空气称为排气空气。其中，循环空气和排气空气的比例为1:1，将循环空气压缩至20kPa。此时假设压缩机为隔热压缩机，则循环空气的温度为：

压缩后的循环空气温度

＝压缩前温度[K]×(压缩后压力[kPa]/压缩前压力[kPa])^((比热比-1)/比热比))

＝(27+273.2)×(121.3/101.3)^((1.4-1)/1.4))

＝316.0[K]≒42.9[℃]

假设空气换热器的换热温度效率为0.8、则换热后的循环空气温度为：

换热器出口的循环空气温度

＝入口温度(循环)[℃]–(入口温度(循环)[℃]–入口温度(排气)[℃])×温度效率

＝42.9–(42.9–27.0)×0.8

＝30.2[℃]

且排气空气的换热器出口温度如下(设置排气管等排到室外)

排气空气的换热器出口温度

＝吸入温度(排气)[℃]–(入口温度(循环)[℃]–吸入温度(排气)[℃])×温度效率

＝27.0+(42.9–27.0)×0.8

＝39.7[℃]

另外循环空气受隔热膨胀时的空气温度为：

隔热膨胀后的循环空气温度

＝膨胀前温度[K]×(膨胀后压力[kPa]/膨胀前压力[kPa])^((比热比-1)/比热比)

＝(30.2+273.2)×(101.3/121.3)^((1.4-1)/1.4)

＝288.1[k]≒15.0[℃]

则循环空气的出风温度为15.0℃。

本实用新型实施例中还利用康达效应吸入室内空气的特性，增加风量，并将空气吸入口设置在两个方向，最终将循环空气与室内空气合流后出风。

假设利用康达效应所吸入的空气量为循环空气的两倍时，出风风量：

2.5+2.5×2＝7.5[m3/min](循环空气量+吸入空气量)

出风温度：

(15.0×2.5+27×5.0)/7.5＝23.0[℃](根据流量加重平均)

为了尽可能防止循环空气的出风产生漩涡，可以将风道缩小成锥形，同时可压缩气流，加速冷却气流的出口风速，增加室内空气的引入量。另外为了增加康达效应所吸入的空气量，可以将循环空气的出风部设置为孔状或者长孔状，而非细缝状，从而提高流速。

上述实施例中制冷设备的制冷能力如下所示：

制冷能力＝出风风量[m³/min]×空气密度[kg/m³]/60×空气比热[kJ/(kg℃)]×温度差[℃]

＝7.5×1.2/60×1.007×(27–23)

＝0.60[kW]

空气的压缩功

压缩功＝0.016666×风量[m³/min]x压力差[kPa]

＝0.016666×2.5×(121.3–101.3)

＝0.83[kW]

假设膨胀涡轮的回收做功为膨胀做功的80％，则：

回收功＝膨胀功(压缩)×0.8＝0.83×0.8＝0.66[kW]

假设电机效率为75％，则耗电量和制冷效率为：

耗电量＝压缩功[kW]/电机效率–回收功[kW]

＝0.83/0.75–0.66＝0.45[kW]

制冷效率＝制冷能力[kW]/耗电量[kW]＝0.60/0.45＝1.33

本实用新型实施例中的空气冷却器可以实现不产生温室气体，对环境友好。另外当设备倾倒发生破损时，不会泄漏氟系冷媒及冷冻机油。

本实用新型实施例提供了一种空调器，包括上述空气冷媒循环式空气冷却器。

当然，本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程度来指令控制装置来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取的存储介质中，所述程序在执行时可包括如上述各方法实施例的流程，其中所述的存储介质可为存储器、磁盘、光盘等。

虽然本实用新型披露如上，但本实用新型并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

最后，还需要说明的是，在本文中，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。

虽然本实用新型披露如上，但本实用新型并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种空气冷媒循环式空气冷却器，其特征在于，包括送风用风扇、压缩用风扇、空气换热器、膨胀涡轮以及出风口；

所述送风用风扇，用于吸入室内空气后使其分流至所述压缩用风扇、所述空气换热器的第一通道；

所述压缩用风扇，用于压缩空气后使其进入所述空气换热器的第二通道，所述第一通道与所述第二通道之间进行热交换；

所述膨胀涡轮，用于使通过第二通道的空气膨胀后通过出风口输送至室内。

2.如权利要求1所述的空气冷却器，其特征在于，所述压缩用风扇的压缩比小于或等于1.4，和/或，压缩后空气的流量小于或等于10m³/min。

3.如权利要求1所述的空气冷却器，其特征在于，所述送风用风扇与所述压缩用风扇共用同一个电机轴驱动。

4.如权利要求3所述的空气冷却器，其特征在于，所述电机轴还连接所述膨胀涡轮，用于回收所述膨胀涡轮的膨胀能。

5.如权利要求4所述的空气冷却器，其特征在于，所述送风用风扇、所述压缩用风扇与所述膨胀涡轮同轴连接。

6.如权利要求1所述的空气冷却器，其特征在于，还包括电机，所述电机用于驱动所述送风用风扇、所述压缩用风扇，且与所述膨胀涡轮连接以回收所述膨胀涡轮的膨胀能。

7.如权利要求1所述的空气冷却器，其特征在于，所述出风口包括具有康达效应的喷嘴，所述喷嘴包括凸出的表面，在所述表面上设置有多个出风孔。

8.如权利要求1所述的空气冷却器，其特征在于，还包括排气管，经过所述第一通道的空气通过所述排气管输送至室外。

9.如权利要求1所述的空气冷却器，其特征在于，还包括滤网和/或隔音材料；所述滤网、所述隔音材料设置于所述送风用风扇的进风侧。

10.一种空调器，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的空气冷媒循环式空气冷却器。

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