CN113942370B - 一种汽车空调系统及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明技术方案公开了一种汽车空调系统及其工作方法，包括热泵模块；分别与所述热泵模块连接的室外换热模块以及空调箱，其中，所述空调箱中设置有半导体冷热装置，所述半导体冷热装置可实现制冷制热同时工作。本发明的汽车空调系统，应用场景灵活，既可以在燃油汽车上使用，也可以在电动汽车上使用，也可以在工程机械上使用。解决了冬季发动机水温不足以为乘员舱或除霜提供热量的问题。通过冷却液、环境空气和低温制冷剂对高温制冷剂强化散热，提高了系统制冷时的性能和能效。通过冷却液与低温制冷剂换热，吸收发动机或电机的热量，提高了系统制热时的性能和能效。通过半导体冷热装置进行除湿，提高了系统的舒适性，减少了压缩机的工作时间。
Description
技术领域
本发明涉及汽车空调系统技术领域，尤其是涉及一种汽车空调系统及其工作方法。
背景技术
冬季寒冷时，汽车乘员舱需要制热以提高乘员舱舒适性。
对于燃油车，由于发动机温度很低，发动机产生的热水不足以给车内提供足够的热量，车内制热效果差。尤其是发动机启动初期，几乎不能给车内提供热量，导致车内无制热效果，此时，如果车窗结霜，化霜效果也非常差。
对于电动车，由于没有发动机提供热源，制热也需要采取其它方式。目前，汽车在冬季主要靠PTC(正温度系数电阻)加热，热效率较低，功耗很大。或采用热泵系统制热，热泵系统能效高，但在低温环境下能效降低甚至无法正常工作。
汽车空调在春秋季除湿时，需要制冷和制热同时工作，才能既保证除湿效果，又不影响舒适性。
如果仅用制冷除湿，会导致车内温度降低，导致乘员感知偏冷。
如果仅用制热除湿，会导致除湿效果差，且乘员感知偏热。
目前的汽车空调系统，制冷采用空调压缩机制冷，制热采用发动机余热制热(燃油车)或采用热泵系统增加室内冷凝器制热(电动汽车)或采用PTC制热，因此除湿时必须启动压缩机。
发明内容
本发明解决了现有汽车空调技术制冷和制热同时工作时必须启动压缩机的问题；解决了夏季制冷和冬季制热时的性能提升和能效提升问题。
为解决上述的技术问题，本发明技术方案提供一种汽车空调系统，其中，包括：
热泵模块；
分别与所述热泵模块连接的室外换热模块以及空调箱，其中，
所述空调箱中设置有半导体冷热装置，所述半导体冷热装置可实现制冷制热同时工作。
可选地，所述热泵模块包括压缩机、与所述压缩机出口连接的换向阀、与所述压缩机入口连接的气液分离器以及连接于所述换向阀和所述气液分离器之间的第五换热器。
可选地，所述室外换热模块包括连接于所述第五换热器和所述换向阀之间的第一换热器、设于所述第一换热器旁的第一风机和散热器、安装于所述第一换热器和所述换向阀之间的第六换热器以及与所述第六换热器连接的散热器，所述散热器和所述第六换热器连接至外部发动机或电机的冷却剂回路或工程机械的液压油回路。
可选地，所述空调箱包括分别与所述半导体冷热装置两端安装的第三换热器和第四换热器，所述第三换热器旁设置第二风机，所述第三换热器和所述第四换热器之间还安装有第二换热器，所述第二换热器的两端分别连接至所述换向阀和所述第五换热器，所述第二换热器与所述第五换热器之间安装有节流元件。
为解决上述的技术问题，本发明技术方案还提供一种汽车空调系统的工作方法，其中，所述工作方法如下：
当夏季需要处于制冷除湿模式时，通过半导体冷热装置分别控制第三换热器和第四换热器制冷和制热，并通过调节所述半导体冷热装置的输入电流以控制所述第三换热器和所述第四换热器的制冷和制热功率；
当冬季需要处于制热除湿模式时，通过所述半导体冷热装置控制所述第四换热器制热，并通过调节所述半导体冷热装置的输入电流以控制第四换热器的制热功率。
可选地，还包括制冷循环模式，制冷剂的循环路线为压缩机-换向阀-第六换热器-第一换热器-第五换热器-节流元件-第二换热器-换向阀-气液分离器-压缩机。
可选地，还包括制热循环模式，制冷剂的循环路线为压缩机-换向阀-第二换热器-节流元件-第五换热器-第一换热器-第六换热器-换向阀-气液分离器-压缩机。
本发明技术方案的有益效果是：
本发明的汽车空调系统，应用场景灵活，既可以在燃油汽车上使用，也可以在电动汽车上使用，也可以在工程机械上使用。解决了冬季发动机水温不足以为乘员舱或除霜提供热量的问题。通过冷却液、环境空气和低温制冷剂对高温制冷剂强化散热，提高了系统制冷时的性能和能效。通过冷却液与低温制冷剂换热，吸收发动机或电机的热量，提高了系统制热时的性能和能效。通过半导体冷热装置进行除湿，提高了系统的舒适性，减少了压缩机的工作时间，提高了系统的寿命。采用模块化设计，有利于产品的通用化，扩大了产品的适用范围。
附图说明
图1为本发明实施例中汽车空调系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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发明和简化描述，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发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
请参见图1所示，示出了一种实施例的汽车空调系统，其中，包括热泵模块；分别与热泵模块连接的室外换热模块以及空调箱，其中，空调箱中设置有半导体冷热装置5，半导体冷热装置5可实现制冷制热同时工作。
本实施例中，热泵模块包括压缩机1、与压缩机1出口连接的换向阀2、与压缩机1入口连接的气液分离器3以及连接于换向阀2和气液分离器3之间的第五换热器15。
本实施例中，室外换热模块包括连接于第五换热器15和换向阀2之间的第一换热器11、设于第一换热器11旁的第一风机6和散热器8、安装于第一换热器11和换向阀2之间的第六换热器16以及与第六换热器16连接的散热器8，散热器8和第六换热器16连接至外部发动机或电机的冷却剂回路或工程机械的液压油回路。
本实施例中，空调箱包括分别与半导体冷热装置5两端安装的第三换热器13和第四换热器14，第三换热器13旁设置第二风机7，第三换热器13和第四换热器14之间还安装有第二换热器12，第二换热器12的两端分别连接至换向阀2和第五换热器15，第二换热器12与第五换热器15之间安装有节流元件4。
提供以下说明进一步地认识本发明的特性及功能。
本实施例还提供一种汽车空调系统的工作方法，其中，工作方法如下：
当夏季需要处于制冷除湿模式时，通过半导体冷热装置5分别控制第三换热器13和第四换热器14制冷和制热，并通过调节半导体冷热装置5的输入电流以控制第三换热器13和第四换热器14的制冷和制热功率。
当冬季需要处于制热除湿模式时，通过半导体冷热装置5控制第四换热器制热14，并通过调节半导体冷热装置5的输入电流以控制第四换热器14的制热功率。
本实施例中，还包括制冷循环模式，制冷剂的循环路线为压缩机1-换向阀2-第六换热器16-第一换热器11-第五换热器15-节流元件4-第二换热器12-换向阀2-气液分离器3-压缩机1。
本实施例中，还包括制热循环模式，制冷剂的循环路线为压缩机1-换向阀2-第二换热器12-节流元件4-第五换热器15-第一换热器11-第六换热器16-换向阀2-气液分离器3-压缩机2。
以下对本发明做详细说明。
本实施例提供了一种汽车空调系统。空调系统采用R744(二氧化碳)或R290(丙烷)或R134a或其它工质为制冷剂。空调系统包括热泵模块、室外换热模块、空调箱模块等。空调系统可以用在燃油汽车上，也可以用在电动汽车上，也可以用在工程机械中，为乘员舱内提供制冷、制热、除湿(除雾)等功能。
热泵模块包括压缩机1、制冷剂换向阀2、中间换热器(即第五换热器15)、节流元件4、气液分离器3等零部件。其中压缩机1为机械驱动压缩机(用于燃油车，由发动机驱动)或电驱动压缩机(燃油车和电动车均可用)。制冷剂换向阀2可以是四通阀，也可以用三通阀或截止阀组合实现换向功能。节流元件可以是电子膨胀阀，也可以是节流孔管。第五换热器15用来对进入膨胀阀(即节流元件4)前的高温高压制冷剂和蒸发器出口的低温低压制冷剂进行热交换，从而提高系统的能效比。
室外换热模块包括室外换热器(即第一换热器11)、散热器8、水气换热器(即第六换热器16)和第一风机6；用来实现制冷剂与室外空气的热交换(散热或吸热)、冷却液与室外空气的热交换(散热)以及制冷剂与冷却液的热交换。
空调箱包含第二风机7、室内换热器(即第二换热器12)、热管换热器(即第三换热器13)、热管换热器(即第四换热器14)、半导体冷热装置5等。
空调系统可以用在工程机械上，例如汽车起重机上车。在汽车起重机的底盘驾驶室和上车操纵室(即执行吊装作业的部分)都配置有空调系统。汽车起重机上车的空调系统基本采用压缩制冷和燃油加热技术。本系统用于汽车起重机上车时，压缩机为电驱动压缩机，利用起重机的电力系统进行驱动。也可以采用液压驱动压缩机，利用起重机的液压系统进行驱动。第六换热器16用于制冷剂和液压油的热交换。
本实施例的空调系统具有以下工作模式：
1、制冷循环：制冷剂的循环路线为压缩机1-换向阀2-第六换热器16-第一换热器11-第五换热器15-节流元件4-第二换热器12-换向阀2-气液分离器3-压缩机1。
压缩机1出口的高温高压制冷剂，通过第六换热器16与冷却液进行第一次热交换(散热)，第一次降低制冷剂的温度；然后进入第一换热器11与环境空气进行第二次热交换(散热)，第二次降低温度；继续进入第五换热器15与低温制冷剂进行第三次热交换(散热)，第三次降低温度。制冷剂通过节流元件4节流后变成低温低压制冷剂，通过第二换热器12与车内空气进行热交换(吸热)，对乘员舱进行降温。压缩机1出口的制冷剂通过三次温度降低，达到了制冷剂充分散热的目的，从而提高系统的性能和能效比。
当采用电动压缩机时，可以通过调节电动压缩机的转速和节流元件的开度，调节系统的制冷能力。
2、制热循环，制冷剂的循环路线为压缩机1-换向阀2-第二换热器12-节流元件4-第五换热器15-第一换热器11-第六换热器16-换向阀2-气液分离器3-压缩机2。
压缩机1出口的高温高压制冷剂，通过第二换热器12与车内室内空气进行第一次热交换(散热)，对乘员舱进行升温。然后通过节流元件4节流后变成低温低压制冷剂，通过第一换热器11与环境空气进行热交换(吸热)，第一次提高温度；继续进入第六换热器16与冷却液进行热交换(吸热)，第二次提高温度。通过两次吸热，提高了系统的性能和能效比。当发动机或电机冷却液温度上升到足够温度时，第一风机6停止工作。空调系统仅靠第六换热器16从冷却液吸热即可满足乘员舱制热需要。
当采用电动压缩机时，可以通过调节电动压缩机的转速和节流元件的开度，调节系统的制冷能力。
在极低温环境温度时，例如-50℃，空调系统制热性能差、冷却液温度也不足以为空调系统提供热量，此时，可以通过在冷却液回路中串联或并联辅组加热装置(例如PTC)，通过第六换热器16为空调系统提供热量，从而提升空调系统制热性能。
3、夏季制冷除湿
制冷除湿：夏季制冷负荷较高时，除湿模式与制冷模式相同。
低负荷制冷除湿：随着制冷负荷的降低，经过第二换热器12的冷风温度过低，出于舒适性的需要，需要提高出风温度。此时，开启半导体冷热装置5，第三换热器13制冷，第四换热器14制热。基于半导体冷热装置5的特性，此时第四换热器14的制热量-第三换热器13的制冷量＝半导体冷热装置5的输入功率。半导体冷热装置5相当于加热器在工作。通过调节半导体冷热装置5的输入电流，可以控制第三换热器13和第四换热器14的制冷和制热功率。
4、冬季制热除湿
制热除湿：随着制冷负荷降低直至无需求，制热负荷上升。关闭空调压缩机，制冷剂循环停止。空气经过第三换热器13制冷除湿后，经过第四换热器14制热升温。通过调节半导体冷热装置5的输入电流，可以控制第三换热器13和第四换热器14的制冷和制热功率。
综上所述，本发明的汽车空调系统，应用场景灵活，既可以在燃油汽车上使用，也可以在电动汽车上使用，也可以在工程机械上使用。解决了冬季发动机水温不足以为乘员舱或除霜提供热量的问题。通过冷却液、环境空气和低温制冷剂对高温制冷剂强化散热，提高了系统制冷时的性能和能效。通过冷却液与低温制冷剂换热，吸收发动机或电机的热量，提高了系统制热时的性能和能效。通过半导体冷热装置进行除湿，提高了系统的舒适性，减少了压缩机的工作时间，提高了系统的寿命。采用模块化设计，有利于产品的通用化，扩大了产品的适用范围。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (4)
1.一种汽车空调系统，其特征在于，包括：
热泵模块；
分别与所述热泵模块连接的室外换热模块以及空调箱，其中，
所述空调箱中设置有半导体冷热装置，所述半导体冷热装置可实现制冷制热同时工作；
所述热泵模块包括压缩机、与所述压缩机出口连接的换向阀、与所述压缩机入口连接的气液分离器以及连接于所述换向阀和所述气液分离器之间的第五换热器；
所述室外换热模块包括连接于所述第五换热器和所述换向阀之间的第一换热器、设于所述第一换热器旁的第一风机和散热器、安装于所述第一换热器和所述换向阀之间的第六换热器以及与所述第六换热器连接的散热器，所述散热器和所述第六换热器连接至外部发动机或电机的冷却剂回路或工程机械的液压油回路；
所述空调箱包括分别与所述半导体冷热装置两端安装的第三换热器和第四换热器，所述第三换热器旁设置第二风机，所述第三换热器和所述第四换热器之间还安装有第二换热器，所述第二换热器的两端分别连接至所述换向阀和所述第五换热器，所述第二换热器与所述第五换热器之间安装有节流元件。
2.根据权利要求1所述的一种汽车空调系统的工作方法，其特征在于，所述工作方法如下：
当夏季需要处于制冷除湿模式时，通过半导体冷热装置分别控制第三换热器和第四换热器制冷和制热，并通过调节所述半导体冷热装置的输入电流以控制所述第三换热器和所述第四换热器的制冷和制热功率；
当冬季需要处于制热除湿模式时，通过所述半导体冷热装置控制所述第四换热器制热，并通过调节所述半导体冷热装置的输入电流以控制第四换热器的制热功率。
3.根据权利要求2所述的汽车空调系统的工作方法，其特征在于，还包括制冷循环模式，制冷剂的循环路线为压缩机-换向阀-第六换热器-第一换热器-第五换热器-节流元件-第二换热器-换向阀-气液分离器-压缩机。
4.根据权利要求2所述的汽车空调系统的工作方法，其特征在于，还包括制热循环模式，制冷剂的循环路线为压缩机-换向阀-第二换热器-节流元件-第五换热器-第一换热器-第六换热器-换向阀-气液分离器-压缩机。
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