熱泵型空調系統的製作方法

2023-05-29 15:26:21 2

專利名稱：熱泵型空調系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種空調系統，且尤其涉及一種熱泵型空調系統。
背景技術：
—般地，在空調系統中，換熱管內流動沸騰傳熱係數隨管內質量流速升高而升高， 但壓降也迅速升高，從而導致製冷劑與空氣側傳熱溫差下降(當蒸發器出口壓力一定時)。 若質量流速過高，壓降增加導致換熱量下降的因素佔主導作用，則整機製冷量和能效比將 下降。為此，蒸發器常常採用"少進多出"的多流路設計方式以平衡傳熱係數與壓降二者之 間的關係從而使蒸發器在整機中發揮出最佳的能力和能效。 對於熱泵型家用空調器，室內換熱器和室外換熱器在製冷模式時分別為蒸發器和 冷凝器，但在制熱模式時則切換為冷凝器和蒸發器，從而導致製冷模式下作為蒸發器的室 內換熱器的最佳流路設計(分路數較多)在制熱模式下作為冷凝器使用時得不到充分發 揮，而製冷模式下作為冷凝器的室外換熱器的最佳流路設計在制熱模式下作為蒸發器使用 時也得不到充分發揮且高溫制熱工況下甚至可能出現結霜。上述矛盾導致熱泵型家用空 調器的蒸發器或冷凝器只能採用較為折衷的流路設計，但當追求製冷能效比時出現熱冷比 下降，難以達到GB7725-2004《房間空氣調節器》限定值(額定製熱量不低於製冷量的1. 1 倍)；並且，當採用小管徑追求低材耗時，作為蒸發器使用的小管徑換熱器使得前述的技術 矛盾更加突出。此外，對於分體式空調器，尤其是多聯式空調器，室內換熱器出口至壓縮機 吸氣口的管路較長，管路阻力損失導致系統能力和能效隨管徑的減小和管路的加長而下降 明顯，使用較粗的管路雖然能緩解性能下降幅度但成本上升。

發明內容
本發明旨在解決現有技術中的上述問題，且因此，本發明提出一種新型的熱泵型 空調系統。 根據本發明的熱泵型空調系統包括壓縮機、第一四通換向閥、室外換熱器、節流 裝置以及室內換熱器，其中，所述空調系統還包括第二四通換向閥和氣液分離器，所述第 二四通換向閥的第一埠連接至所述室外換熱器的未連接第一四通換向閥的一端，所述第 二四通換向閥的第二埠連接至所述節流裝置的一端，所述第二四通換向閥的第三埠連 接至所述室內換熱器的未連接第一四通換向閥的一端，所述第二四通換向閥第四埠連接 至所述氣液分離器的液相出口 ，所述節流裝置的另一端連接至所述氣液分離器的入口 ，並 且所述氣液分離器的氣相出口連接至所述壓縮機的吸氣口，其中，所述第一埠選擇性地 與所述第二埠和所述第四埠中的一個連通，所述第三埠選擇性地與所述第二埠和 所述第四埠中的另 一個連通。 優選地，在所述氣液分離器的氣相出口與所述壓縮機的吸氣口之間連接有壓力平 衡裝置。 優選地，所述節流裝置為電子膨脹閥。
優選地，所述節流裝置為毛細管，且此處，更優選地，所述空調系統還包括並聯在 所述第三埠與所述室內換熱器之間的輔助毛細管和單向閥。 優選地，所述壓縮機為並聯設置的多臺壓縮機，所述室內換熱器為並聯設置的多
臺室內換熱器，並且在所述第三埠與每臺室內換熱器之間均連接有節流元件。 優選地，經所述氣液分離器分離後的氣態製冷劑的流速低於lm/s。 優選地，所述壓力平衡裝置為毛細管或熱力膨脹閥、電子膨脹閥等流通面積可控
的閥門元件。 優選地，所述第二四通換向閥為液相四通換向閥。 優選地，所述室內換熱器和所述室外換熱器為翅片管換熱器、微通道平行流換熱 器等具有分路設計特徵的換熱器。 根據本發明的熱泵型空調系統，通過設置第二四通換向閥和氣液分離器，使得可 以將從節流裝置出來的氣液兩相混合物分離成氣相和液相，並將氣相直接旁通至壓縮機吸 氣口，將液相輸送至室內換熱器，從而降低了室內換熱器側的壓降，減少了分路個數，提高 了各分路中製冷劑的流速，從而提高了系統的傳熱係數。


附圖組成本說明書的一部分，用來幫助進一步理解本發明。這些附解了本發 明的一些實施例，並可與說明書一起用來說明本發明的原理。附圖中 圖la示意性地示出了根據本發明第一實施例的熱泵型空調系統的製冷循環模 式； 圖lb示意性地示出了根據本發明第一實施例的熱泵型空調系統的制熱循環模 式； 圖2a示意性地示出了根據本發明實施例中用到的第二四通換向閥在製冷循環模 式下的工作狀態； 圖2b示意性地示出了根據本發明實施例中用到的第二四通換向閥在制熱循環模 式下的工作狀態； 圖3示意性地示出了根據本發明第二實施例的熱泵型空調系統的連接線路圖；以 及 圖4示意性地示出了根據本發明第四實施例的熱泵型空調系統的連接線路圖。
具體實施例方式
下面將參照附圖及具體實施例對根據發明的熱泵型空調系統進行詳細描述。
圖la和圖lb分別示意性地示出了根據本發明第一實施例的熱泵型空調系統的制 冷循環模式和制熱循環模式。如圖la和圖lb所示，根據該實施例的熱泵型空調系統包括 壓縮機1、第一 (氣相)四通換向閥2、室外換熱器3、電子膨脹閥6和室內換熱器5，這些元 件與現有技術中已知元件相同，在此不再贅述。特別地，在該實施例中，該熱泵型空調系統 還包括設置在室外換熱器3與壓縮機1之間的第二四通換向閥4和氣液分離器7。具體地， 該第二四通換向閥4 一側的第一埠 41連接至室外換熱器3，該第二四通換向閥4另一側 具有三個埠，其中，第二埠 42連接至電子膨脹閥6的一端並且該電子膨脹閥6的另一端連接至氣液分離器7的入口端，第三埠 43連接至室內換熱器5，第四埠 44連接至氣 液分離器7的液相出口端，而氣液分離器7的氣相出口端則通過旁通管路11連接至壓縮機 1的吸氣口。此外，在氣液分離器7與壓縮機1的吸氣口之間的旁通管路11上安裝有壓力 平衡裝置8，其具體作用將在下面進行描述。優選地，在該實施例中，第二四通換向閥4為液 相四通換向閥。 通過設置該第二四通換向閥4和氣液分離器7，經電子膨脹閥6節流降壓後的製冷 劑氣液兩相混合物中的液態製冷劑經由主流路12進入室內換熱器進行換熱，而氣態製冷 劑(質量比重約為20%，甚至更高)直接經由旁通管路11進入壓縮機1的吸氣口。這樣， 室內換熱器側(室內換熱器入口至壓縮機吸氣口)的壓力損失降低，室內換熱器中的製冷 劑分路數可以減少，從而製冷劑流路中的質量流速增大，傳熱係數由此得以提高。
具體地，參照圖la，其示出了該實施例的熱泵型空調系統的製冷循環模式。從壓縮 機l的排氣口排出的高溫高壓氣態製冷劑經氣相四通換向閥2進入室外換熱器(作為冷凝 器)3完全冷凝後順序通過液相四通換向閥4的第一埠 41和第二埠 42以及電子膨脹 閥6進入氣液分離器7，節流產生的製冷劑氣液兩相混合物在氣液分離器7中有效分離，分 離出來的氣態製冷劑從上部氣相出口流出並經壓力平衡裝置8降壓後旁通至壓縮機1的吸 氣口，分離出來的液態製冷劑從氣液分離器7的下部液相出口流出並順序通過液相四通換 向閥4的第四埠 44和第三埠 43以及主流路12進入室內換熱器(蒸發器)5，最終完全 蒸發後經氣相四通換向閥2進入壓縮機1的吸氣口並與旁通流路11中的氣態製冷劑匯合 後一起進入壓縮機，且在被壓縮升壓後作為高溫高壓氣體從壓縮機1的排氣口排出，從而 完成一個製冷模式循環。製冷模式下液相四通換向閥的工作狀態如圖2a所示。
如圖lb所示，當氣相四通換向閥2通電換向後即進入制熱循環模式。此時，液相 四通換向閥4根據製冷劑流向變化引起的高低壓力差而自行換向，其工作狀態轉換為圖2b 所示的狀態。制熱模式下，從壓縮機1的排氣口排出的氣態製冷劑經氣相四通換向閥2進 入室內換熱器(作為冷凝器)5完全冷凝後經主流路12順序通過液相四通換向閥4的第三 埠 43和第二埠 42以及電子膨脹閥6進入氣液分離器7。節流產生的製冷劑氣液兩相 混合物在氣液分離器7中有效分離，分離出來的氣態製冷劑氣體從上部氣相出口流出並經 壓力平衡裝置8旁通至壓縮機1的吸氣口，分離出來的液態製冷劑從氣液分離器7的下部 液相出口流出並順序通過液相四通換向閥4的第四埠 44和第一埠 41進入室外換熱器 (作為蒸發器)3，在完全蒸發後經氣相四通換向閥2進入壓縮機1的吸氣口並與旁通流路 11中的氣態製冷劑一起進入壓縮機1 ，且在被壓縮升壓後從壓縮機1的排氣口排出，從而完 成一個制熱循環。 在根據本發明的實施例中，第二四通換向閥4採用液相四通換向閥，在換向時無 需電控信號，可根據製冷劑流向變化引起的高低壓力變化而自動換向。在液相四通換向閥 中無需設計電磁線圈和前導閥，因而在結構上比氣相四通換向閥更簡單且體積更小。
在該實施例中，壓力平衡裝置8可以是諸如毛細管的內徑較小的管路，也可以是 流通截面積可控的閥門元件。壓力平衡裝置的作用是對經由氣液分離器分離出的氣態製冷 劑降壓，以防止液態製冷劑進入，並平衡旁通流路中氣態製冷劑與主流路中液態製冷劑的 壓降，使系統運行穩定。 當壓力平衡裝置採用諸如毛細管的小內徑管路時，其內徑和長度設計滿足如下條件系統在設計工況下運行的情況下，氣液兩相混合製冷劑在完全分離後，旁通流路(從氣 液分離器經旁通流路至壓縮機吸氣口)的總壓降與主流路(氣液分離器內部經室內換熱器 至壓縮機吸氣口)總壓降相等。由於氣態製冷劑的動力粘度遠小於液態製冷劑的動力粘 度，因此，當在非設計工況下運行時，若旁通流路中進入部分液態製冷劑，則旁通流路阻力 將顯著增大，從而導致主流路液體流通量增加；反之，若主流路進入部分氣態製冷劑，則主 流路阻力也將增大，從而導致旁通流路氣體流通量增加。即，壓力平衡裝置採用小內徑管路 時具有一定的自調節功能。 採用小內徑管路作為壓力平衡裝置雖然具有一定的自調節功能，但調節範圍不夠 寬廣。對於調節範圍較大的場合，可以採用流通截面積可控的閥門元件作為壓力平衡裝置， 該閥門元件的控制方法很簡單取旁通流路上的分別位於壓力平衡裝置上下遊的兩點溫度 之差作為控制輸入參數，當旁通流路正常工作時，溫差為零或為負值(即，上遊溫度低於下 遊溫度)，此時無需調節；當旁通流路進入部分液態製冷劑時，溫差為正值(即，上遊溫度高 於下遊溫度)，此時需要將閥門的流通截面積調小；當主流路進入部分氣態製冷劑時，主流 路阻力增大導致旁通流路氣體流通量自動增加，因而無需調節。當然，也可以採用熱力膨脹 閥的原理進行自動控制，當旁通流路的下遊溫度下降時，自動調小閥的開度。
氣液分離器7既需要將節流後的製冷劑兩相混合物中的氣態製冷劑有效分離又 需要有儘可能小的內容積以降低製冷劑充注量和系統不穩定性。氣液分離器7的內部截面 積設計要滿足分離後的氣體流速低於lm/s，以達到有效分離的效果，並且其柱狀內部的內 部高度與內徑之比在3 5之間。製冷劑兩相流混合物沿水平切向引入到氣液分離器的內 壁，靠壁面摩擦力快速消耗入流流體的部分動量，並靠表面張力作用使得部分液體附著在 內壁面上而分離，其餘液體靠重力作用自動分離。 採用本技術發明方案時，室內換熱器流路可以更接近單獨用於冷凝器的最優流路 從而使得室內換熱器作為冷凝器使用時具有相對更高的換熱性能。另外，由於室內換熱器 入口處的製冷劑幹度極低(理想情況下僅為氣液分離器沿主流路至蒸發器入口的壓降造 成的少量閃蒸氣體和因沿程吸熱而蒸發的少量氣體之和)，分流路數減少，因而室內換熱器 入口的分流器設計更加簡單，分流效果也可得到顯著改善。 圖3示出了根據本發明第二實施例的熱泵型空調系統的連接線路。在該實施例 中，節流裝置不是採用電子膨脹閥而是採用毛細管(可以節省成本)。具體地，主毛細管6' 連接在液相四通換向閥4的第二埠 42與氣液分離器7的入口之間，輔助毛細管9連接在 液相四通換向閥4的第三埠 43與室內換熱器5之間，並且單向閥10與輔助毛細管9並 聯，從而實現製冷循環模式與制熱循環模式的順利轉換。 該第二實施例的熱泵型空調系統的運行方式與第一實施例的基本相同，主要區別 在於在製冷模式下，經氣液分離器7分離出來的液態製冷劑從氣液分離器7的下部液相出 口順序經過液相四通換向閥4的第四埠 43和第三埠 43以及單向閥IO，並經主流路12 進入室內換熱器(作為蒸發器)5 ;在制熱模式下，從壓縮機1出口排出的氣態製冷劑在進 入室內換熱器(作為冷凝器)5完全冷凝後經主流路12、輔助毛細管9，順序通過液相四通 換向閥4的第三埠 43和第二埠 42進入氣液分離器7。 圖4示出了根據本發明第三實施例的熱泵型空調系統的連接線路。該實施例的熱 泵型空調系統為多聯繫統，其中包括有多臺並聯連接的壓縮機1 (圖中示出兩臺)以及多臺
6並聯連接的室內換熱器5(圖中示出三臺)，並且在每臺室內換熱器5前(即，在第三埠 43與室內換熱器5之間)均連接有諸如電子膨脹閥的節流元件13。多聯繫統的製冷和制 熱循環與單個系統類似，在此不再贅述。 根據本發明的熱泵型空調系統可以同時提高製冷和制熱能力和能效比，也可以提
高高能效機型的熱冷比，且室內換熱器入口製冷劑的分流效果也得到顯著改善。 在根據本發明的熱泵型空調系統中，室外換熱器和室內換熱器可以是翅片管換熱
器，也可以是微通道平行流換熱器或其他形式的換熱器，這些換熱器在流路上具有流路數
較少或流程較長的特點。 儘管參照附圖描述了本發明的實施例，但應該理解，在不脫離本發明範圍和精神 的情況下，相關領域的技術人員可作各種變化和修改，所有變化和修改均旨在被所附權利 要求所包含。
權利要求
一種熱泵型空調系統，包括壓縮機(1)、第一四通換向閥(2)、室外換熱器(3)、節流裝置以及室內換熱器(5)，其特徵在於，所述空調系統還包括第二四通換向閥(4)和氣液分離器(7)，所述第二四通換向閥(4)的第一埠(41)連接至所述室外換熱器(3)的未連接所述第一四通換向閥(2)的一端，所述第二四通換向閥(4)的第二埠(42)連接至所述節流裝置的一端，所述第二四通換向閥(4)的第三埠(43)連接至所述室內換熱器(5)的未連接所述第一四通換向閥(2)的一端，所述第二四通換向閥(4)第四埠(44)連接至所述氣液分離器(7)的液相出口，所述節流裝置的另一端連接至所述氣液分離器(7)的入口，並且所述氣液分離器(7)的氣相出口連接至所述壓縮機(1)的吸氣口，其中，所述第一埠(41)選擇性地與所述第二埠(42)和所述第四埠(44)中的一個連通，所述第三埠(43)選擇性地與所述第二埠(42)和所述第四埠(44)中的另一個連通。
2. 根據權利要求l所述的空調系統，其特徵在於，所述第二四通換向閥(4)為液相四通 換向閥。
3. 根據權利要求l所述的空調系統，其特徵在於，在所述氣液分離器(7)的氣相出口與 所述壓縮機(1)的吸氣口之間連接有壓力平衡裝置(8)。
4. 根據權利要求1所述的空調系統，其特徵在於，所述節流裝置為電子膨脹閥。
5. 根據權利要求1所述的空調系統，其特徵在於，所述節流裝置為毛細管。
6. 根據權利要求5所述的空調系統，其特徵在於，所述空調系統還包括並聯在所述第 三埠 (43)與所述室內換熱器(5)之間的輔助毛細管(9)和單向閥(10)。
7. 根據權利要求1所述的空調系統，其特徵在於，其特徵在於，所述壓縮機為並聯設置 的多臺壓縮機，所述室內換熱器(5)為並聯設置的多臺室內換熱器，並且在所述第三埠 (43)與每臺室內換熱器之間均連接有節流元件(13)。
8. 根據權利要求l所述的空調系統，其特徵在於，經所述氣液分離器(7)分離後的氣態 製冷劑的流速低於lm/s。
9. 根據權利要求3所述的空調系統，其特徵在於，所述壓力平衡裝置(8)為毛細管或流 通面積可控的閥門元件，該可控的閥門元件包括熱力膨脹閥、電子膨脹閥。
10. 根據權利要求1所述的空調系統，其特徵在於，所述室內換熱器和所述室外換熱器 為具有分路設計特徵的換熱器，該具有分路設計特徵的換熱器包括翅片管換熱器、微通道 平行流換熱器。
全文摘要
本發明提供了一種熱泵型空調系統，其包括壓縮機、第一四通換向閥、室外換熱器、節流裝置以及室內換熱器，其中，該空調系統還包括設置在室外換熱器與室內換熱器之間的第二四通換向閥和氣液分離器。本發明的熱泵型空調系統可以降低室內換熱器側的壓降，使得分路數減少，製冷劑流速增加，從而整個系統的傳熱係數得以提高。
文檔編號F25B41/04GK101769659SQ200910000108
公開日2010年7月7日 申請日期2009年1月5日 優先權日2009年1月5日
發明者莊嶸, 林華和, 梁祥飛 申請人:珠海格力電器股份有限公司