TWI262864B - Vapor compression system for heating and cooling of vehicles - Google Patents

Description

1262864 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關用於加熱和舒適冷卻車廂或乘座隔間的 可逆式蒸氣壓縮系統，其包含至少一個壓縮機、一個流向 倒轉裝置、一個內部熱交換器、一個多功能膨脹裝置、一 個內熱交換器、一個外部熱交換器、另外一個多功能膨脹 裝置、一個有冷卻劑循環於其中之輔助熱交換器，以及一 個與上述之部件相連結而組成一封閉式主要管路的蓄熱器 。該系統可以藉由使用任何冷凍劑（特別是二氧化碳）而 在轉換臨界或是次臨界的狀態下作動。該系統更特別是有 關用於電力系統、內燃機系統或複合動力系統所作動之車 輛的可逆式冷凍/熱泵系統。 【先前技術】 在應用於機動車輛之可逆式蒸氣壓縮系統中，當此種 系統是作動於熱栗模式之下，經常需要使用從車輛之驅動 系統所排出的廢棄熱量和/或從外界空氣中所得到的熱量 來作爲蒸氣壓縮系統所需之熱量來源。車輛驅動系統可以 是具有一個或更多個引擎、電動馬達、燃料電池、動力電 子單元和/或電池，所有的這些動力來源均會排放廢棄熱 量。 專利DE 19813674 C1揭示了一種用於車輛之可逆式熱 泵系統，其中從內燃機引擎所排出的廢氣被用來作爲熱量 來源。此種系統的缺點係由於排氣溫度相當高，燃油可能 1262864 會分解於排氣熱量回收熱交換器（尙未被使用）中。另外 一項缺點是腐蝕問題可能會出現於熱量回收熱交換器的排 氣側邊上。第三項缺點是排氣/冷凍劑熱交換器的尺寸太 大，而且其被安置於車輛下方的位置容易受到損壞。此種 系統的第四項缺點是當管路作動於熱泵模式之下，位於管 路之高壓側的壓力是無法被控制。此項結果所產生的操作 問題是容量不足和使用效率過低。最後，此種系統的第五 項缺點是於管路中未存在有一內熱交換器。倘若未具有此 一內熱交換器，系統在外界溫度較高之狀態下的冷卻模式 操作中，將無法得到最大容量和最佳使用效率。 此外，專利申請案DE 19806654描述了 一種用於被一 內燃機引擎所驅動之機動車輛的可逆式熱泵系統，其中引 擎冷卻系統被用作爲熱量來源。此種系統的缺點是其僅能 夠從引擎冷卻系統中吸收熱量，而且在引擎啓動時，此項 結果將會造成引擎冷卻劑和引擎本身之熱機時間的延遲。 於是，引擎需要更長的時間才能夠到達正常工作溫度，因 而導致污染排放量增加和油耗增加。此外，當引擎啓動時 ，此種系統必須要在相當低的蒸發溫度下作動。此種系統 的另外一項缺點是在熱泵模式之下，無法提供除溼作用予 乘座隔間內的空氣，相較於另外一種具有除溼功能選項的 系統，此種系統的擋風玻璃除霧或除霜效果較差。 【發明內容】 本發明提出了一種用於車輛舒適冷卻和加熱的全新改 1262864 良過蒸氣壓縮系統，其中該系統能夠使用從車輛驅動系統 和從外界空氣中所排出的廢棄熱量作爲在加熱模式之下所 需的熱量來源，以及作爲在冷卻模式之下所需的熱量吸收 器。本發明的特徵爲在隨附之獨立申請專利範圍第1項中 所界定的特點。在某些由相關申請專利範圍第2項到第18 項所界定的實施例中，該系統能夠在熱泵模式之下提供除 溼作用。該系統主要意欲是（但不限於是）被使用在具有 一冷卻流體管路的車輛中，此冷卻流體管路則是能夠與一 內燃機引擎、一電動馬達或一複合動力系統交換熱量。 當該系統作動於冷卻模式之下，此種系統能夠經由輔 助熱交換器來將熱量供應至引擎冷卻管路中，用以快速將 引擎熱機和減少外部熱交換器上的熱負載。當系統作動於 熱泵模式之下，該系統可以使用全部或是一部份冷卻系統 來作爲熱量來源。從熱泵模式轉換成爲冷卻模式操作的逆 向程序，以及從冷卻模式轉換成爲熱泵模式操作的逆向程 序是可以藉由一個流向倒轉裝置和二個多功能膨脹裝置之 作用而被施行。 【實施方式】 在此所揭示之蒸氣壓縮系統意欲是（但不限於是）被 使用於車輛（亦即是例如機動車輛、火車、卡車、巴士和 飛機等運輸工具）上，其中爲了舒適之目的而需要冷卻或 是加熱車廂，以及其中當該蒸氣壓縮系統係作動於熱泵模 式之下，某些從驅動系統排出的廢棄熱量可以被用來作爲 1262864 熱量來源。此車輛驅動系統可以包含一個或是更多個下列 部件：內燃機引擎、其他種類的引擎、電動馬達、燃料電 池、電池，以及動力電子系統，所有的這些驅動部件在操 作時均需排放出若干廢棄熱量。在所揭示之系統中，驅動 系統部件係經由一冷卻管路而將熱量排出，冷卻流體則係 藉由該冷卻管路而被循環經過該驅動系統。此冷卻管路係 使用單相流體（液體或是氣體）或使用雙相流體。通常， 此冷卻系統亦包含一個用於將熱量排放至外界空氣中的冷 卻器。在此所揭示之蒸氣壓縮系統係由一個冷凍劑管路所 組成，此冷凍劑管路本身則包含一個內部熱交換器、一個 外部熱交換器、一個容許冷卻流體經由其中而被循環的輔 助熱交換器、一個用於交換該冷凍劑管路內之熱量的內熱 交換器、一個蓄熱器、一個壓縮機，以及一個流動控制裝 置。在舒適冷卻模式之下，該內部熱交換器會吸收從乘座 隔間或是車廂排放出來的熱量，而且在加熱模式之下，該 內部熱交換器會將熱量傳送至乘座隔間或是車廂內。直接 被傳送至乘座隔間/車廂空氣內或是直接從乘座隔間/車 廂空氣中排放出的熱量是被循環經過該內部熱交換器，或 是熱量可以間接被傳送經過第二流體。在熱泵模式之下， 該外部熱交換器會從外界空氣中吸收熱量，而且在舒適冷 卻模式之下，該外部熱交換器會將熱量排放至外界空氣中 。直接被傳送至外界空氣中或是直接從外界空氣中排放出 來的熱量是被循環經過該外部熱交換器，或是熱量可以間 接被傳送經過第二流體。 1262864 當車輛是從外界空氣溫度較低之低溫狀況下被啓動時 鉍鋤 ，乘座隔間/車廂必須要被快速加熱，而且驅動系統部件 亦必須儘速到達其正常工作溫度。爲了得到此項結果，在 此所揭示之系統於熱泵模式之下，車輛啓動之後的啓始作 動階段是經由外部熱交換器而從外界空氣中吸收熱量。因 此，由於不是從冷卻管路中吸收熱量，該驅動系統部件容 許快速到達其正常工作溫度。事實上，由於該熱泵壓縮機 之動力需求所增加至該驅動系統上的負載，使得驅動系統 部件和冷卻流體之溫度能夠更加快速的增加。熱量係藉由 · 熱泵經過內部熱交換器而被供應至乘座隔間/車廂內。當 驅動系統部件和冷卻管路的溫度已到達適宜溫度値時，藉 由吸收從冷卻管路排放出來的熱量經過輔助熱交換器，熱 * 泵的作動方式會被改變成爲使用冷卻劑來作爲熱量來源。 -最後，熱泵會被關機，並且車廂/乘座隔間係藉由冷卻管 路經過獨立之熱交換器（加熱器核心）而被直接加熱。另 ’ 外，亦可以藉由結合外界空氣和冷卻劑來作爲熱量來源， — 用以操作該熱泵系統，而且藉由結合內部熱交換器和加熱 ® 器核心來加熱該乘座隔間/車廂。在此項系統的某些實施 例中，該內部熱交換器在熱泵模式之下係可以提供雙重功 能，其中該內部熱交換器的一部份係藉由冷卻空氣來將空 氣除溼，而該內部熱交換器的其餘部份則是被用來作爲一 空氣加熱器。 當該車輛係在外界溫度較高之狀況下被啓動時，乘座 隔間/車廂內的空氣溫度必須儘速降低，而且該蒸氣壓縮 11 1262864 系統接著是作動於舒適冷卻模式之下。此時，熱量係經由 內部熱交換器而從乘座隔間/車廂空氣中被吸收。倘若冷 卻流體和驅動系統的溫度低於啓動時所需要之溫度値，從 蒸氣壓縮系統排放出來的廢棄熱量會經由輔助熱交換器而 被釋放至冷卻管路中。此種被傳送至冷卻管路內的熱量輸 入則容許驅動系統部件更加快速地到達其最佳操作溫度。 當驅動系統部件係在其正常溫度値時，熱量亦可以從該蒸 氣壓縮系統被排放至冷卻管路中。藉由以此種方式來降低 外部熱交換器上的熱負載，此蒸氣壓縮系統的容量和使用 效率可以獲得改善。此種操作模式當然是要依賴在冷卻管 路中之冷卻器內的足夠熱量排放容量。介於輔助熱交換器 與外部熱交換器間之熱量輸入的分佈情形則能夠藉由旁通 管路配置和流動控制裝置來加以控制。 上述之蒸氣壓縮系統係藉由使用流向倒轉裝置、流動 轉向裝置量和多功能膨脹裝置而被切換於熱泵模式與舒適 冷卻模式之間，以及被切換於熱量吸收與熱量排放的不同 模式之間。該流向倒轉裝置可以是四通閥、三通閥的組合 ，或是其他能夠在管路中提供流動方向倒轉功能的流向配 置方式。該流動轉向裝置可以是三通閥、一般閥門的組合 ，或是其他能夠在流體管路中二分枝之間提供流動轉向功 能的流向配置方式。該多功能膨脹裝置會依據操作之模式 ，來提供冷凍劑膨脹於一個方向上和未受限制地流動於一 個方向或是二個方向。該多功能膨脹裝置可以包含節流機 構、膨脹機器或是具有或不具有功率回收作用之渦輪機， 12 1262864 以及流動控制機構的任何組合。 第一實施例： 用於可逆式蒸氣壓縮循環之本發明的第一實施例在圖1 中被示意地表示出其熱泵模式，圖2則是舒適冷卻之操作 模式。依照本發明，該裝置包含一個壓縮機1、一個流向流 轉裝置6、一個內部熱交換器2、一個多功能膨脹裝置9、 一個內熱交換器4、一個外部熱交換器3、另外一個多功能 膨脹裝置8、一個輔助熱交換器7和一個蓄熱器5。參考圖 1和圖2,此系統操作於熱泵與冷卻之模式則是分別被加以 描述。 熱泵操作（參考圖1): 當該系統以熱泵之模式運轉時，在該壓縮機之後的受 壓縮冷凍劑首先會流經一個在加熱模式之下的流向倒轉裝 置6。該冷凍劑隨後會進入該內部熱交換器2，在通過被開 啓的多功能膨脹裝置9之前會將熱量排放至熱量吸收器（ 車廂/乘座隔間空氣，或是第二流體），由於該多功能膨 脹裝置9係被開啓，於是，在此多功能膨脹裝置之前和之 後的壓力値基本上係相等。該高壓冷凍劑接著會流經該內 熱交換器4，其中該內熱交換器的溫度（焓）係藉由與低壓 冷凍劑交換熱量而能夠被降低。在其壓力因爲該多功能膨 脹裝置8之作動而被降低至蒸發壓力之前，冷卻過的高壓 冷凍劑隨後會進入外部熱交換器3。該低壓冷凍劑會進入該 輔助熱交換器7，其中冷凍劑係藉由吸收熱量而被蒸發。在 該輔助熱交換器7與外部熱交換器3內所吸收的熱量係能 13 1262864 夠藉由控制冷卻流體和/或空氣流動速率而分別被加以控 制。在進入壓縮機之前，冷凍劑接著會分別流經該流向倒 轉裝置6、低壓蓄熱器5和內熱交換器4，完成整個循環動 作。 冷卻模式操作（參考圖2): 該流向倒轉裝置6將在此作動於冷卻模式的操作下， 使得該內部熱交換器2被用來作爲蒸發器，同時該外部熱 交換器3被用來作爲熱量排出器（冷凝器/氣體冷卻器） 。在此種模式中，該壓縮機1之後的受壓縮氣體於進入該 輔助熱交換器7之前會流經該流向倒轉裝置6。依據該輔助 熱交換器7是否正被操作中（例如是在啓動階段，使得引 擎溫度能夠上升到正常溫度，減少內燃機引擎所產生的污 染氣體排放），在沒有壓力降低（於該多功能膨脹裝置8 之前和之後的壓力値基本上係相等）之狀況下，高壓冷凍 劑在流經該多功能膨脹裝置8之前，能夠先被冷卻下來。 然後，高壓冷凍劑會進入該外部熱交換器3，其中此高壓冷 凍劑係藉由將熱量排放至熱量吸收器而被冷卻下來。在其 壓力値被該多功能膨脹裝置9降低至蒸發壓力之前，冷凍 劑於該內熱交換器4中會被更進一步地加以冷卻。此低壓 冷凍劑係藉由吸收在該內部熱交換器2中的熱量而被蒸發 。在進入該壓縮機1之前，冷凍劑接著會分別流經該流向 倒轉裝置6、蓄熱器5和內熱交換器4，完成整個循環動作。 第二實施例： 第二實施例分別於圖3和圖4中被示意地表示出其熱 14 1262864 泵模式與冷卻模式。介於該第二實施例與上述第一實施例 之間的主要差異係出現一個被提供有一閥門12之旁通管路 24，倘若有需要時，可以增加旁通功能選項予該外部熱交 換器3。 第三實施例： 圖5和圖6分別示意的表示出此實施例的熱泵模式與 冷卻模式之操作狀況。相較於第一實施例，第三實施例具 有額外的管路和流動轉向裝置19,用以旁通該內熱交換器 4。另外，亦可以提供一個旁通管路25，如同在第二實施例 一般，用以旁通該外部熱交換器3。在外界（熱量來源）溫 度（低蒸發溫度）非常低之狀況下，必須要避免產生太高 的排氣溫度。在此種應用實例中，經過該多功能膨脹裝置9 之後的冷凍劑係全部或一部份會被該流動轉向裝置19加以 倒轉，用以旁通該內熱交換器4。如同在第一實施例中所描 述之內容，從加熱模式轉換成爲冷卻模式操作之逆向作動 程序係藉由使用二多功能膨脹裝置8和9而能夠被施行。 第四實施例： 第四實施例分別於圖7和圖8中被示意地表示出其熱 泵模式與冷卻模式。介於該第四實施例與上述第一實施例 之間的主要差異係出現一個被提供有一閥門12之旁通管路 28，倘若有需要時，可以增加旁通功能選項予該輔助熱交 換器7。 第五實施例： 圖9和圖10分別示意的表示出此實施例的熱泵模式與 15 1262864 冷卻模式之操作狀況。相較於第一實施例，第五實施例具 有一個被安置於該外部熱交換器3與內熱交換器4之間的 額外多功能膨脹裝置9,。由於在該外部熱交換器3與內熱 父換器4之間所出現的多功能膨脹裝置9，能夠增加全新使 用弓早性予此項系統，本實施例係表不針對第_^實施例的改 良。在熱泵模式中，吾人可以選擇在該多功能膨脹裝置9, 之後將冷凍劑膨脹，其中導致該外部熱交換器3被用來作 爲熱量吸收器（蒸發器），或是以不同的蒸發溫度來運轉 該熱交換器和輔助熱交換器7。此項結果的得到係可以藉由 該多功能膨脹裝置9 ’之作動，首先降低冷凍劑壓力到達在 該外部熱交換器3內的（第一）蒸發溫度，然後，藉由該 多功能膨脹裝置8之作動，降低冷凍劑壓力到達在該輔助 熱交換器7內的（第二和較低）蒸發溫度。另外，冷凍劑 亦可能在壓力値大致上不會有任何降低之狀況下，流經該 膨脹裝置9’，使得冷凍劑能夠在其壓力値被該多功能膨脹 裝置8降低之前，將熱量排放至外部熱交換器3。接著，低 壓冷凍劑會進入被用來作爲熱量吸收器（蒸發器）的輔助 熱交換器7。 第六實施例： 圖11和圖12分別示意的表示出此實施例的熱泵模式 與冷卻模式之操作狀況。相較於第一實施例，該多功能膨 脹裝置8被移至該外部熱交換器3的相對側邊。結果導致 該外部熱交換器3被用來作爲在加熱模式之下的蒸發器。 此項結果在下列狀況之下則是有利的，其中當引擎被啓動 16 1262864 直到引擎溫度能夠到達正常操作溫度時，此種系統能夠使 用外界空氣來作爲熱量來源，在引擎溫度到達正常操作溫 度之後，從引擎冷卻系統排出的多餘熱量能夠被用來作爲 熱量來源。如同在第一實施例中所描述之內容，從加熱模 式轉換成爲冷卻模式操作之逆向作動程序係藉由使用二多 功能膨脹裝置8和9而能夠被施行。在冷卻模式之操作中 ，如同第一實施例，壓力降低的施行係藉由該多功能膨脹 裝置9之作動。 第七實施例： 圖13和圖14分別示意的表示出此項實施例的熱泵模 式與冷卻模式之操作狀況。相較於第六實施例，該輔助熱 交換器7係位於一個獨立的管路分枝26內，該管路分枝26 本身則係藉由使用一個被提供於一旁通管路內之額外多功 能膨脹裝置20，而以平行於該外部熱交換器3之方式相互 耦合在一起。此種系統在熱泵模式與冷卻模式下之操作情 形係可以分別參考圖13和圖14而被加以描述。 熱泵操作（參考圖13): 當該系統以熱泵之模式運轉時，在壓縮機之後的受壓 縮冷凍劑首先會流經一個在加熱模式之下的流向倒轉裝置6 。該冷凍劑隨後會進入該內部熱交換器2，在通過被開啓的 多功能膨脹裝置9之前會將熱量排放至熱量吸收器，由於 該多功能膨脹裝置9係被開啓，於是，在此多功能膨脹裝 置之前和之後的壓力値基本上係相等。高壓冷凍劑接著會 流經該內熱交換器4，其中該內熱交換器的溫度（焓）係藉 17 1262864 由與低壓冷凍劑交換熱量而能夠被降低。冷卻過的高壓冷 凍劑在內熱交換器之後會被區別成爲二個分枝。倘若有需 要時，某些冷凍劑會被轉向以平行於該外部熱交換器3之 方式而被提供的輔助熱交換器7。接著，藉由額外的多功能 膨脹裝置20之作動，在該輔助熱交換器7之前，該冷凍劑 的壓力會被降低至蒸發壓力。然後，從該輔助熱交換器7 流出的冷凍劑會被導入至該蓄熱器5的入口。其餘的冷卻 過高壓冷凍劑則會流經該多功能膨脹裝置8，藉由該多功能 膨脹裝置8之作用而將冷凍劑的壓力降低至蒸發壓力。隨 後，低壓冷凍劑會進入該外部熱交換器3，其中冷凍劑係藉 由吸收熱量而被蒸發。接著，在該冷凍劑與任何從輔助熱 交換器7流出的冷凍劑相混合之前或是之後，該冷凍劑會 流經該流向倒轉裝置6，而且進入至該蓄熱器5。在進入該 壓縮機1之前，冷凍劑隨後會流經該內熱交換器4，完成整 個循環動作。 冷卻模式操作（參考圖14): 該流向倒轉裝置6將在此作動於冷卻模式的操作下， 使得內部熱交換器2被用來作爲蒸發器，同時外部熱交換 器3被用來作爲熱量排出器（冷凝器/氣體冷卻器）。在 此種模式中，該壓縮機1之後的受壓縮氣體於進入該外部 熱交換器3之前會流經該流向倒轉裝置6，其中該壓縮氣體 的冷卻係藉由在其流經該多功能膨脹裝置8之前排放出熱 量而得到，而且不會產生節流作用（於該多功能膨脹裝置8 之前和之後的壓力値基本上係相等）。此壓縮氣體亦可以 18 1262864 藉由將某些冷凍劑轉向經過該多功能膨脹裝置20而能夠排 放部份熱量至該輔助熱交換器7。在其壓力被該多功能膨脹 裝置9降低至蒸發壓力之前，高壓冷凍劑於該內熱交換器4 中會被更進一步地加以冷卻。低壓冷凍劑係藉由吸收該內 部熱交換器2的熱量而被蒸發，接著，於進入該蓄熱器5 之前，在該冷凍劑與任何從該輔助熱交換器7流出的冷凍 劑相混合之前，該冷凍劑會流經該流向倒轉裝置6。在進入 該壓縮機1之前，冷凍劑隨後會流經該內熱交換器4，完成 整個循環動作。 第八實施例： 第八實施例分別於圖15和圖16中係被示意地表示出 其熱泵模式與冷卻模式之操作狀況。相較於第七實施例， 此實施例係代表一種二階段式壓縮系統，其中在冷凍劑被 該第二階段壓縮機1”壓縮之前，從該輔助熱交換器7流出 的冷凍劑會被導引至該第一階段壓縮機1之排放側邊，流 經一個管路迴圏22。結果導致位於該輔助熱交換器7內的 蒸發壓力將會是獨立的，而且係可以對應中間壓力（在該 第一階段壓縮機1之後的壓力値）。從加熱模式轉換成爲 冷卻模式之逆向作動程序是可以參考第七實施例的描述內 容而被施行。 第九實施例： 第九實施例分別於圖17和圖18中被示意地表示出其 熱泵模式與冷卻模式之操作狀況。相較於第八實施例，此 實施例具有一個被提供於一額外管路迴圈23中的額外內部 19 1262864 冷卻熱交換器19，其中該內部冷卻熱交換器19的一個末端 係被連結至位於該輔助熱交換器7之前的管路迴圈22，而 且其另外一個末端係被連結至位於該輔助熱交換器7之後 的管路迴圏22，同時有一個閥門21被提供於在該膨脹裝置 20與輔助熱交換器7之間的管路迴圈22中。在加熱模式下 ，該閥門21會被開啓，而且某些冷凍劑於該膨脹裝置20 之後會被轉向至該內部冷卻熱交換器19,其中該冷凍劑係 在該內熱交換器4之後，以高壓的熱量交換方式被蒸發。 在冷卻模式下，該閥門21會被關閉，而且冷凍劑於該膨脹 裝置20之後將會流經該內部冷卻熱交換器19，其中該凍劑 係在該多功能膨脹裝置8之後，以高壓的熱量交換方式被 蒸發。在以上之二種模式中，結果導致排放氣體於該第一 階段壓縮機1之後產生除去過熱作用，使得壓縮所需的功 率減少和系統性能變得更佳。從加熱模式轉換成爲冷卻模 式之逆向作動程序係可以參考第八實施例的描述內容而被 施行。 第十實施例： 第十實施例分別於圖19和圖20中被示意地表示出其 熱泵模式與冷卻模式之操作狀況。相較於第一實施例，其 主要差異係該多功能膨脹裝置9的安裝位置，其中在此實 施例中，該多功能膨脹裝置9係被安置於外部熱交換器3 與內熱交換器4之間。另外，亦可以提供一個旁通管路， 用以如同第二實施例一般，旁通該外部熱交換器3。在熱泵 模式下，膨脹作用可以被發生於該多功能膨脹裝置9內， 20 1262864 用以吸收該外部熱交換器3的熱量，或是膨脹作用亦可以 被發生於該多功能膨脹裝置8內，用以吸收該輔助熱交換 器7的熱量。在後者之應用實例中，如同第二實施例，可 以藉由採用一旁通管路（圖形中未表示出來）而將該外部 熱交換器3加以旁通。於是，當引擎正啓動時，熱量來源 可以是外界空氣，當冷卻劑溫度到達可接受溫度値時，再 將熱量來源切換爲引擎冷卻劑。在冷卻模式之操作下，位 於該內熱交換器4之二側邊的壓力値基本上是相等，而且 不具有用於交換熱量的溫度驅動作用力。結果導致該內熱 交換器4僅有於一種操作模式（冷卻模式或熱泵模式操作 )下才能夠作動。上述之逆向作動程序則如同第一實施例 一般而被施行。 第十一實施例： 圖21和圖22分別示意的表示出此實施例的熱泵模式 與冷卻模式之操作狀況。相較於第一實施例，此實施例係 結合一個被提供於一第三管路迴圈25中的額外除溼熱交換 器2’，其中該除溼熱交換器2’的一個末端係被連結至介於 該流動轉向裝置6與輔助熱交換器7之間的主要管路，而 且其另外一個末端係被連結至該內熱交換器4與內部熱交 換器2之間，二個止回閥11、11’被提供於在主要管路與第 三管路迴圈25之間的第四管路迴圏24中，而且一個閥門 10 (例如是一個電磁閥）係被提供於第三管路迴圈25中。 參考圖21和圖22，此系統操作於熱泵與冷卻之模式則是分 別被加以描述。 21 1262864 熱泵操作（參考圖21): 在熱泵模式之操作下，在壓縮機之後的受壓縮冷凍劑 首先會流經一個在加熱模式之下的流向倒轉裝置6。此冷凍 劑隨後會進入該內部熱交換器2，將熱量排放至熱量吸收器 。高壓冷凍劑會流經該止回閥11，然後再經過該內熱交換 器4，其中該內熱交換器的溫度（焓）係藉由與低壓冷凍劑 交換熱量而能夠被降低。在其壓力被該多功能膨脹裝置8 降低至蒸發壓力之前，冷卻過的高壓冷凍劑隨後會進入該 外部熱交換器3。另外，亦可以藉由採用一旁通管路（圖形 中未表示出來）而將該外部熱交換器3加以旁通。低壓冷 凍劑會進入該輔助熱交換器7，其中冷凍劑係藉由吸收熱量 而被蒸發。當該除溼熱交換器2’被開啓時，某些高壓冷凍 劑在該止回閥11之後會被該多功能膨脹裝置9吹入至該除 溼熱交換器2’內，產生蒸發作用，於是，車廂內的空氣能 夠被除溼。低壓冷凍劑則會流經被開啓的閥門10和與從輔 助熱交換器7流出的冷凍劑相混合。在進入壓縮機之前， 冷凍劑接著會分別流經該流向倒轉裝置6、低壓蓄熱器5和 內熱交換器4,完成整個循環動作。 冷卻模式操作（參考圖22): 該流向倒轉裝置6將在此作動於冷卻模式的操作下， 使得該內部熱交換器2與除溼熱交換器2,共同被用來作爲 蒸發器，同時該外部熱交換器3被用來作爲熱量排出器（ 冷凝器/氣體冷卻器）。在此種模式中，該壓縮機1之後 的受壓縮氣體於進入該輔助熱交換器7之前會流經該流向 22 1262864 倒轉裝置6。依據該輔助熱交換器7是否正被操作中，高壓 冷凍劑在流經該多功能膨脹裝置8之前，能夠先被冷卻下 來，而且不會產生節流作用（於該多功能膨脹裝置8之前 和之後的壓力値基本上係相等）。然後，高壓冷凍劑會進 入該外部熱交換器3，其中此高壓冷凍劑係藉由將熱量排放 至熱量吸收器而被冷卻下來。在其壓力値被該多功能膨脹 裝置9降低至蒸發壓力之前，冷凍劑於該內熱交換器4中 會被更進一步地加以冷卻。該低壓冷凍劑係藉由首先吸收 在該除溼熱交換器2’中的熱量而被蒸發。接著，在冷凍劑 於該內部熱交換器2中被更進一步地加以蒸發之前，該冷 凍劑會先流經該止回閥11’（閥門10被關閉）。在進入該 壓縮機之前，冷凍劑接著會分別流經該流向倒轉裝置6、低 壓蓄熱器5和內熱交換器4,完成整個循環動作。 第十二實施例： 弟十一貫施例分別於圖23和圖24中被示意地表示出 其熱栗模式與冷卻模式之操作狀況。相較於第六實施例， 此實施例係結合一個如同用於第十實施例之額外除溼熱交 換器2’，在此，該內部熱交換器的一個末端係經由介於該 外部熱交換器3與內熱交換器4之間的管路27而被連結至 主要管路’而且該除溼熱交換器2,係被連結至內熱交換器 4。除了止回閥11’被提供於第四管路迴圏24中以外，一個 止回閥11”係被提供於該管路27中。 以操作方式來§兌明和相較於第十一實施例，其主要差 異是該多功能膨脹裝置9的安裝位置，其中在此項實施例 23 1262864 中，該多功能膨脹裝置9係被安置於外部熱交換器3與內 熱交換器4之間。在熱泵模式下，膨脹作用可以被發生於 該多功能膨脹裝置9內’用以吸收該外部熱交換器3的熱 量，或是膨脹作用亦可以被發生於該多功能膨脹裝置8內 ，用以吸收該輔助熱交換器7的熱量。在後者之應用實例 中，如同第一實施例，可以藉由採用一旁通管路（圖形中 未表示出來）而將該外部熱交換器3加以旁通。於是，當 引擎正啓動時，熱量來源可以是外界空氣，當冷卻劑溫度 到達可接受溫度値時，再將熱量來源切換爲引擎冷卻劑。 在冷卻模式之操作下，位於該內熱交換器4之二側邊的壓 力値基本上係相等，而且不具有用於交換熱量的溫度驅動 作用力。結果導致該內熱交換器4僅有於一種操作模式（ 冷卻模式或熱泵模式操作）下才能夠作動。從加熱模式轉 換成爲冷卻模式之逆向作動程序係可以參考第十一實施例 的描述內容而被施行。 第十三實施例： 圖25和圖26分別示意的表示出此實施例的熱泵模式 與冷卻模式之操作狀況。相較於第十一實施例，其主要差 異是額外增加一個旁通閥12，倘若有需要時，此旁通閥12 能夠將冷凍劑旁通離開該輔助熱交換器7。 第十四實施例： 第十四實施例分別於圖27和圖28中被示意地表示出 其熱泵模式與冷卻模式。除了止回閥11的安裝位置已被另 一止回閥11’’’所取代以外，此項實施例基本上係與第十二 24 1262864 實施例相同，該止回閥π’’’則係被安置於該除溼熱交換器 2,的出口與內部熱交換器2的入口之間。從冷卻模式轉換 成爲熱泵模式之系統逆向作動程序係可以如同第十二實施 例一般而被施行。 第十五實施例： 圖29和圖30分別示意的表示出第十五實施例的熱泵 模式與冷卻模式之操作狀況。相較於先前之實施例，其主 要差異是該逆向作動程序的施行方式。在此實施例中，該 流向倒轉裝置6已被二個流動轉向裝置13和14所取代。 參考圖29和圖30，此系統操作於熱泵與冷卻之模式則是分 別被加以描述。 熱泵操作（參考圖29): 在熱泵模式之操作下，該流動轉向裝置13和14均是 在加熱模式中。在進入該內部熱交換器2之前，於壓縮機 之後的受壓縮冷凍劑首先會流經該流動轉向裝置13，將熱 量排放至熱量吸收器。高壓冷凍劑會流經該止回閥11’，然 後再經過該內熱交換器4，其中該內熱交換器的溫度（焓） 係藉由與低壓冷凍劑交換熱量而能夠被降低。在冷凍劑進 入該外部熱交換器3之前，冷凍劑的壓力會被該多功能膨 脹裝置8降低至蒸發壓力。當該除溼熱交換器2’被開啓， 某些高壓冷凍劑在該止回閥Π ’之後會被該多功能膨脹裝置 9吹入至該除溼熱交換器2’內，產生蒸發作用，於是，車 廂內的空氣能夠被除溼。低壓冷凍劑在與該外部熱交換器3 流出的冷凍劑相混合之前，會流經被開啓的閥門1〇。在進 25 1262864 入壓縮機之前，冷凍劑接著會分別流經該流向倒轉裝置6、 低壓蓄熱器5和內熱交換器4，完成整個循環動作。 冷卻模式操作（參考圖30): 在熱泵模式之操作下，該流動轉向裝置13和14均是 在加熱模式中，使得該內部熱交換器2與除溼熱交換器2, 共同被用來作爲蒸發器，同時該外部熱交換器3被用來作 爲熱量排出器（冷凝器/氣體冷卻器）。在此種模式中， 該壓縮機1之後的受壓縮氣體於進入該外部熱交換器3之 前會經過該流動轉向裝置13。接著，高壓冷凍劑會流經該 多功能膨脹裝置8，而且不會產生節流作用（於該多功能膨 張裝置8之則和之後的壓力値基本上係相等）。然後，冷 凍劑會進入該內熱交換器4，其中冷凍劑係藉由將熱量排放 至位於熱交換器之二側邊上的低壓冷凍劑而能夠被冷卻。 該冷凍劑的壓力係被多功能膨脹裝置9降低至蒸發壓力。 低壓冷凍劑係藉由首先吸收在除溼熱交換器2’中的熱量而 被蒸發。接著，在冷凍劑於該內部熱交換器2中被更進一 步地加以蒸發之前，該冷凍劑會先流經該止回閥11’’’（閥 門10被關閉）。在進入壓縮機之前，冷凍劑接著會分別流 經該流向倒轉裝置6、低壓蓄熱器5和內熱交換器4，完成 整個循環動作。 第十六實施例（參考圖31和圖32): 此實施例包含一個壓縮機1、一個流向倒轉裝置6、一 個內部熱交換器2、一個多功能膨脹裝置17、一個中間壓 力畜熱益15、一'個內熱交換器4、一*個外部熱父換器3、二 26 1262864 個多功能膨脹裝置8和9，以及一個輔助熱交換器7。參考 圖31和圖32 ’此系統操作於熱泵與冷卻之模式則是分別被 加以描述。 熱泵操作（參考圖31): 在該壓縮機之後的受壓縮冷凍劑首先會流經一個在加 熱模式之下的流向倒轉裝置6。接著，冷凍劑會進入該內部 熱交換器2 ’該冷凍劑於流經該膨脹裝置9 (該膨脹裝置9 則會將冷凍劑壓力降低至中間壓力）之前，會將熱量排放 至熱量吸收器’該膨脹裝置亦可以被開啓，在此種應用實 例中’該膨脹裝置就無法造成壓力的降低，而且該內熱交 換器4和外部熱交換器3的壓力値基本上係與中間壓力相 等。藉由該多功能膨脹裝置8之作用，冷凍劑在輔助熱交 換器7之前的壓力値會被降低至蒸發壓力。然後，在進入 該內熱交換器4與壓縮機1之前，低壓冷凍劑會經過該流 向倒轉裝置6。在該多功能膨脹裝置π產生壓降之應用實 例中，該內熱交換器4和外部熱交換器3的壓力値係介於 中間蓄熱器15的壓力與輔助熱交換器7的蒸發壓力之間。 在以上二種應用實例中，可以藉由採用一旁通管路（圖形 中未表示出來）而旁通離開該內熱交換器4和外部熱交換 器3。 冷卻模式操作（參考圖32): 該流向倒轉裝置6將在此作動於冷卻模式的操作下， 使得該內部熱交換器2被用來作爲蒸發器，同時該外部熱 交換器3被用來作爲熱量排出器（冷凝器/氣體冷卻器） 27 1262864 ◦在此種模式中，該壓縮機1之後的受壓縮氣體於進入該 輔助熱交換器7之前會流經該流向倒轉裝置6。依據該輔助 熱乂換益7是否正被操作中’局壓冷凍劑在流經該該多功 能膨脹裝置8之前，能夠先被冷卻下來，而且不會產生節 流作用（於多功能膨脹裝置8之前和之後的壓力値基本上 係相等）。然後，高壓冷凍劑會進入該外部熱交換器3，其 中此高壓冷凍劑是藉由排放熱量而被冷卻下來。在其壓力 値被該多功能膨脹裝置17降低至蓄熱器壓力之前，冷凍劑 係會流經該內熱交換器4。在蓄熱器之後，冷凍劑壓力會被 該膨脹裝置9降低至該內部熱交換器2的壓力値。低壓冷 凍劑係藉由吸收該熱交換器內的熱量而被蒸發。隨後，在 進入壓縮機之前，冷凍劑會分別流經該流向倒轉裝置6和 內熱交換器4，完成整個循環動作。 第十七實施例： 圖33和圖34分別示意的表示出第十七實施例的熱栗 模式與冷卻模式之操作狀況。介於本實施例與第十六實施 例之間的主要差異係壓縮作動程序係以二個壓縮機1和Γ 而分成二階段施行。從該第一階段壓縮機1所排放出來的 冷凍劑氣體會被導引至中間壓力蓄熱器內，用以除去該冷 凍劑的過熱現象。結果導致用於該第二階段壓縮機Γ的吸 附氣體能夠變成飽和或是接近飽和，相較於單一階段的壓 縮作用（第十六實施例），能夠造成壓縮作用所需功率的 減少。除此之外，此種系統在熱泵模式與冷卻模式下之操 作情形係與第十六實施例相同。 28 1262864 另外，亦需瞭解之處是不同圖形所表示的蓄熱器僅係 爲一種示意的圖示，其中真正的解決方案將會因這些圖形 所示之內容而有所差異。 【圖式簡單說明】 藉由上述範例和參考隨附之圖式，本發明係被詳加說 明，圖式中： 圖1係在熱泵模式操作下之第一實施例的示意圖。 圖2爲在冷卻模式操作下之第一實施例的示意圖。 圖3爲在熱泵模式操作下之第二實施例的示意圖。 圖4爲在冷卻模式操作下之第二實施例的示意圖。 圖5爲在熱泵模式操作下之第三實施例的示意圖。 圖6爲在冷卻模式操作下之第三實施例的示意圖。 圖7爲在熱泵模式操作下之第四實施例的示意圖。 圖8爲在冷卻模式操作下之第四實施例的示意圖。 圖9爲在熱泵模式操作下之第五實施例的示意圖。 圖10爲在冷卻模式操作下之第五實施例的示意圖。 圖11爲在熱泵模式操作下之第六實施例的示意圖。 圖12爲在冷卻模式操作下之第六實施例的示意圖。 圖13爲在熱泵模式操作下之第七實施例的示意圖。 圖14爲在冷卻模式操作下之第七實施例的示意圖。 圖15爲在熱泵模式操作下之第八實施例的示意圖。 圖16爲在冷卻模式操作下之第八實施例的示意圖。 圖17爲在熱泵模式操作下之第九實施例的示意圖。 29 1262864 3.外部熱交換器 5.蓄熱器 7.輔助熱交換器 9. 多功能膨脹裝置 10. 閥門 11’.止回閥 11’’’.止回閥 13.流動轉向裝置 15.中間壓力蓄熱器 19.流動轉向裝置/內 部冷卻熱交換器 21.閥門 23.管路迴圈 25.旁通管路/第三管 路迴圈 27.管路/第四管路迴圈 29.旁通管路 4.內熱交換器 6.膨脹裝置/流向倒轉 裝置 8.多功能膨脹裝置/多 功能膨脹閥 9’.多功能膨脹裝置 11. 止回閥 11”.止回閥 12. 閥門/旁通閥 14.流動轉向裝置 17.多功能膨脹裝置 20.多功能膨脹裝置 22.管路迴圈 24.旁通管路 26.管路/管路分枝/第 三管路迴圈 28.旁通管路 31

Claims (1)

1262864 拾、申請專利範圍 1·一種用於加熱和舒適冷卻車廂或乘座隔間的可逆式蒸 氣壓縮系統，其係包含至少一個壓縮機（1 )、一個流向倒 轉裝置（6 )、一個內部熱交換器（2 )、一個多功能膨脹 裝置（9)、一個內熱交換器（4)、一個外部熱交換器（3 )、另外一個多功能膨脹裝置（8)、一個有冷卻劑循環於 其中之輔助熱交換器（7 )，以及一個與上述之部件相連結 而組成一封閉式主要管路的蓄熱器（5)，其特徵在於··該 系統之部件（1、2、3、4、5 ' 6、7、8、9)的相互連結能 夠被提供，使得外界空氣和從車輛驅動系統中循環的冷卻 劑可以部份或是全部分別被用來作爲熱泵模式下之熱量來 源與舒適冷卻模式下之熱量吸收器。 2·如申請專利範圍第1項之系統，其特徵在於：從熱泵 模式轉換成爲冷卻模式操作的逆向程序，以及從冷卻模式 轉換成爲熱泵模式操作的逆向程序係藉由一個流向倒轉裝 置（6)和二個多功能膨脹裝置（8)、（9)之作用而被施 行’該流向倒轉裝置（6)係被連結至壓縮機（1)的高壓 側邊和蓄熱器（5)的入口，該二多功能膨脹裝置（8)、 (9)則是分別被提供於在該輔助熱交換器（7)與外部熱 交換器（3)之間的管路中，以及被提供於在該內部熱交換 器（2)與內熱交換器（4)之間的管路中。 3.如申請專利範圍第1項之系統，其特徵在於：從熱泵 模式轉換成爲冷卻模式操作的逆向程序，以及從冷卻模式 轉換成爲熱泵模式操作的逆向程序係藉由一個流向倒轉裝 32 1262864 置（6)和三個多功能膨脹裝置（8) 、（9)和（9，）之作 用而被施行，該流向倒轉裝置（6 )係被連結至該壓縮機（ 1 )的高壓側邊和該蓄熱器（5 )的入口，其中當外界空氣 或是外界空氣與冷卻劑的組合被用來作爲在熱泵模式下之 熱量來源時’膨脹作用會發生於在該內熱交換器（4)與外 部熱交換器（3)之間的該多功能膨脹裝置（9，）內，另外 ’當冷卻劑被用來作爲唯一的熱量來源時，膨脹作用則會 發生於在該輔助熱交換器（7 )與外部熱交換器（3 )之間 的該多功能膨脹裝置（8 )內。 4. 如申請專利範圍第丨項之系統，其特徵在於：一個額 外的旁通管路（24)包含一個以平行於該外部熱交換器（3 )之方式而被提供的閥門（12)。 5. 如申請專利範圍第1項之系統，其特徵在於：另外一 個旁通管路（25)和用於旁通該內熱交換器（4)的流動轉 向裝置（19)係以平行於該內熱交換器（4)之方式而被提 供。 6·如申請專利範圍第1項之系統，其特徵在於：該多功 通知脹裝置（8 )係被安置於該外部熱交換器（3 )與該內 熱交換器（4)之間。 7·如申請專利範圍第6項之系統，其特徵在於：當該系 統係在加熱模式之操作下，該輔助熱交換器（7 )係藉由一 個平行於該外部熱交換器（3 )之管路而被連結至一個提供 於該輔助熱交換器之上游側邊處的膨脹裝置（20)。 8.如申請專利範圍第7項之系統，其特徵在於：該壓縮 33 1262864 作用係藉由二個壓縮機（1)和（1”）以二階段方式施行， 並且從該輔助熱交換器（7)流出的冷凍劑係經由一管路迴 圈（22 )而與從該壓縮機（1 )所排放的冷凍劑相混合。 9.如申請專利範圍第8項之系統，其特徵在於：一個額 外的內部冷卻熱交換器（19)係被提供於一個額外的管路 迴圈（23)內，該管路迴圈（23)本身則是介於該管路迴 圏（22)，以及該輔助熱交換器（7)和膨脹裝置（20)之 前，而且該壓縮機（1、Γ )的相互連結和一個提供於該管 路迴圈（23)內的閥門（21)被用來控制流體經過該內部 冷卻熱交換器（19)。 10·如申請專利範圍第8項或第9項之系統，其特徵在 於：該二階段壓縮機（1、1，）均爲單一組成的壓縮機型式 〇 11.如申請專利範圍第1項之系統，其特徵爲多功能膨 脹裝置（9)是被安置於內熱交換器（4)與外部熱交換器 (3 )之間。 12·如申請專利範圍第1項之系統，其特徵在於：該系 統包含一個被提供於一第三管路迴圏（26)中的額外除溼 熱交換器（2，），該除溼熱交換器（2，）的一個末端係被連 結至介於該蓄熱器（5 )與輔助熱交換器（7 )之間的主要 管路’而且該除溼熱交換器（2，）的另外一個末端係介於 該內熱交換器（4)與內部熱交換器（2)之間，二個止回 閥（11 )和（11 ’）被提供於在主要管路與第三管路迴圈（ 26 )之間的第四管路迴圏（27 )中，而且一個閥門（1〇 ) 34 1262864 係被提供於該第三管路迴圈（26)中，藉此，該除溼熱交 換器（2，）和該內部熱交換器（2)在冷卻楔式之操作下係 以串聯方式相連結，同樣在加熱模式下，相同的該除溼熱 交換器（2’）能夠在車廂內空氣被該內部熱交換器（2)加 熱之前，將該車廂內的空氣加以除溼。 13.如申請專利範圍第1項之系統，其特徵在於：一個 中間蓄熱器（15)被提供於在該內熱交換器（4)與多功能 膨脹裝置（9)之間的主要管路中，而且另外一個多功能膨 脹裝置（17)係被提供於該壓力蓄熱器（15)與該內熱交 換器（4)之間。 H.如申請專利範圍第13項之系統，其特徵在於：該壓 縮作動程序係藉由使用一第一階段壓縮機（1)和一第二階 段壓縮機（1”）而以二階段方式施行’並且在從該第一階 段所排放之冷凍劑進入該第二階段壓縮機（Γ’）之前’該 從第一階段所排放之冷凍劑會被導引進入該中間壓力蓄熱 器（15) 0 拾壹、圖式 如次頁。 35