间接式低温热泵系统的制作方法

本发明涉及的是一种热泵空调领域的技术，具体是一种采用丙烷(r290)的间接式低温热泵系统。

背景技术：

现有汽车空调系统制冷依靠空调系统，采暖依靠发动机冷却液散发热量，但在新能源电动车上通常采用车辆搭载热泵系统或高压电加热ptc来解决这个难题，然而电加热ptc的效率始终小于1，耗损电池能量大，造成整车续航里程大大降低。

r290凭借其低gwp值、高汽化潜热、较高蒸发压力以及价格低廉等优势成为汽车空调的热门替代制冷剂，但由于r290制冷剂的可燃性，以及法规对可燃制冷剂充注量的限制使其在实际推广应用中具有很多局限性。尤其针对新能源汽车热泵空调多换热器，制冷、制热、除雾、化霜多功能，管路复杂的特点时，导致r290的泄露风险变大，充注量增大，加剧了r290的应用局限性。

此外，由于目前新能源汽车热泵空调因蒸发压力低和压缩机压缩比大的限制通常仅运行在环境温度-10℃以上，极大的加剧了环境温度-10℃以下车厢采暖对整车续航里程的影响。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的上述不足，基于r290提出一种间接式低温热泵系统，通过压缩简化制冷剂回路设计，减小制冷剂泄露风险、降低制冷剂充注量，提升r290热泵空调的安全性；在具备新能源汽车乘客舱制冷、制热和除雾、化霜功能的同时，通过补气压缩机和加热水ptc实现汽车空调在低温环境下仍可正常运行热泵制热。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明包括：依次相连构成制冷剂回路的电动压缩机、高压冷媒-冷却液换热器、干燥储液罐和低压冷媒-冷却液换热器，其中：制冷剂回路和冷却液回路之间完全独立，高压冷媒-冷却液换热器与室内加热器构成高温冷却液回路，低压冷媒-冷却液换热器与第一膨胀水壶、驱动电机、散热水箱和用于提升低温热源温度的加热水ptc构成低温冷却液回路。

所述的高温冷却液回路包括：第二水泵、室内加热器、带有鼓风机的室内冷却器以及电池，其中：第二膨胀水壶与室内冷却器和电池通过第三三通水阀相连，高压冷媒-冷却液换热器与高温冷却液回路以及室内加热器通过第四三通水阀和第五三通水阀相连，电池与室内冷却器和高温冷却液回路通过第六三通水阀相连，第二水泵设置于高压冷媒-冷却液换热器与高温冷却液回路之间。

所述的低温冷却液回路包括：第一膨胀水壶、驱动电机、带有冷却风扇的散热水箱、加热水ptc和第一水泵，其中：驱动电机和散热水箱通过第一三通水阀相连，加热水ptc和低压冷媒-冷却液换热器通过第一水泵相连，低压冷媒-冷却液换热器与第一膨胀水壶和低温冷却液回路通过第二三通水阀相连。

所述的电动压缩机为带有补气的电动压缩机，对应在干燥储液罐和低压冷媒-冷却液换热器之间设有与带有补气的电动压缩机的补气端相连的补气vpi板式换热器。

技术效果

与现有技术相比，本发明技术效果包括：

1、采用r290制冷剂，可利用其低gwp值、高汽化潜热、较高蒸发压力以及价格低廉等优势，加速热泵系统的制冷剂替代；

2、通过对制冷剂侧冷凝器、蒸发器、节流阀和压缩机四大件的紧凑式设计，配合冷却液回路的高低温回路自由组合切换，在实现新能源汽车热泵空调制冷、制热、除雾、化霜功能的同时，最大程度简化制冷剂管路、减小制冷剂泄露风险、降低制冷剂充注量，提升r290热泵空调的安全性；

3、通过带补气压缩机的应用，利用补气增焓方式提升了热泵空调的制热量，同时降低了相同压缩比下的排气温度，使得热泵空调可运行在更低环境温度和更大压缩比工况下；

4、加热水ptc的采用可提高热泵空调的低温热源温度，同时r290本身高汽化潜热和较高蒸发压力的特点，可保证在环境温度-20℃，甚至更低环境温度-30℃以下热泵空调可正常运转，从而缓解低环温下车厢采暖对整车续航里程的影响。

附图说明

图1为实施例1运行第一制冷模式时冷媒流动和冷却液流动的路径示意图；

图中：虚线部分表示非流通状态，实线表示冷媒流动路径，细短划线表示低温冷却液流动路径，粗短划线表示高温冷却液流动路径；

图2为实施例1运行第二制冷模式时冷媒流动和冷却液流动的路径示意图；

图中：虚线部分表示非流通状态，实线表示冷媒流动路径，细短划线表示低温冷却液流动路径，粗短划线表示高温冷却液流动路径；

图3为实施例1运行第一制热模式时冷媒流动和冷却液流动的路径示意图；

虚线部分表示非流通状态，实线表示冷媒流动路径，细短划线表示低温冷却液流动路径，粗短划线表示高温冷却液流动路径；

图4为实施例1运行第二制热模式时冷媒流动和冷却液流动的路径示意图；

虚线部分表示非流通状态，实线表示冷媒流动路径，细短划线表示低温冷却液流动路径，粗短划线表示高温冷却液流动路径；

图5为实施例1运行第三制热模式时冷媒流动和冷却液流动的路径示意图；

虚线部分表示非流通状态，实线表示冷媒流动路径，细短划线表示低温冷却液流动路径，粗短划线表示高温冷却液流动路径；

图6为实施例1运行第四制热模式和第五制热模式时冷媒流动和冷却液流动的路径示意图；

虚线部分表示非流通状态，实线表示冷媒流动路径，细短划线表示低温冷却液流动路径，粗短划线表示高温冷却液流动路径；

图7为实施例1运行第六制热模式时冷媒流动和冷却液流动的路径示意图；

虚线部分表示非流通状态，实线表示冷媒流动路径，细短划线表示低温冷却液流动路径，粗短划线表示高温冷却液流动路径；

图8为实施例1运行第七制热模式时冷媒流动和冷却液流动的路径示意图；

虚线部分表示非流通状态，实线表示冷媒流动路径，细短划线表示低温冷却液流动路径，粗短划线表示高温冷却液流动路径；

图9为实施例1运行第一制冷制热除雾模式时冷媒流动和冷却液流动的路径示意图；

虚线部分表示非流通状态，实线表示冷媒流动路径，细短划线表示低温冷却液流动路径，粗短划线表示高温冷却液流动路径；

图10为实施例1运行第二制冷制热除雾模式时冷媒流动和冷却液流动的路径示意图；

虚线部分表示非流通状态，实线表示冷媒流动路径，细短划线表示低温冷却液流动路径，粗短划线表示高温冷却液流动路径；

图11为实施例1运行散热水箱化霜模式时冷媒流动和冷却液流动的路径示意图；

虚线部分表示非流通状态，实线表示冷媒流动路径，细短划线表示低温冷却液流动路径，粗短划线表示高温冷却液流动路径；

图12为实施例2结构示意图；

图中：1带补气电动压缩机、2高压冷媒-冷却液换热器、3干燥储液罐、4补气vpi板式换热器、5补气vpi电子膨胀阀、6主路电子膨胀阀、7低压冷媒-冷却液换热器、8加热水ptc、9第一水泵、10第一膨胀水壶、11驱动电机、12第一三通水阀、13散热水箱、14冷却风扇、15第二三通水阀、16第二膨胀水壶、17第三三通水阀、18第二水泵、19第四三通水阀、20第五三通水阀、21室内加热器、22室内冷却器、23鼓风机、24第六三通水阀、25电池。

具体实施方式

实施例1

如图1～图11所示，为本实施例涉及一种采用r290的间接式低温热泵系统，包括：依次相连构成制冷剂回路的带补气电动压缩机1、高压冷媒-冷却液换热器2、干燥储液罐3、补气vpi板式换热器4和低压冷媒-冷却液换热器7，其中：补气vpi板式换热器4的补气侧出口端与带补气电动压缩机1的补气口相连，高压冷媒-冷却液换热器2与室内加热器21构成高温冷却液回路，低压冷媒-冷却液换热器7与第一膨胀水壶10、驱动电机11、散热水箱13和加热水ptc8构成低温冷却液回路。

所述的高温冷却液回路包括：第二膨胀水壶16、第三三通水阀17、第二水泵18、第四三通水阀19、第五三通水阀20、室内加热器21、带有鼓风机23的室内冷却器22、第六三通水阀24以及电池25，其中：第二膨胀水壶16与室内冷却器22和电池25通过第三三通水阀17相连，高压冷媒-冷却液换热器2与高温冷却液回路以及室内加热器21通过第四三通水阀19和第五三通水阀20相连，电池25与室内冷却器22和高温冷却液回路通过第六三通水阀24相连，第二水泵18设置于高压冷媒-冷却液换热器2与高温冷却液回路之间。

所述的低温冷却液回路包括：第二三通水阀15、第一膨胀水壶10、驱动电机11、第一三通水阀12、带有冷却风扇14的散热水箱13、加热水ptc8、第一水泵9，其中：驱动电机11和散热水箱13通过第一三通水阀12相连，加热水ptc8和低压冷媒-冷却液换热器7通过第一水泵9相连，低压冷媒-冷却液换热器7与第一膨胀水壶10和低温冷却液回路通过第二三通水阀15相连。

本实施例中制冷剂回路只包含必需的压缩机、两个板式换热器、vpi模块、膨胀阀和储液罐，从而实现极度紧凑化设计和完全隔绝于乘客舱外的实现主要在于制冷剂回路和冷却液回路的完全独立，大幅度削减制冷剂回路的管路尺寸。

乘客舱内的制冷利用室内冷却器22完成、制热利用室内加热器21完成，均是利用冷却液当作载冷剂/载热剂，通过多个冷却液三通阀的组合与制冷剂回路热交换。因此，只有冷却液进入乘客舱内，制冷剂回路完全隔绝于新能源乘客舱外，一方面有利于制冷剂回路的紧凑化设计、另一方面也可将制冷剂阻隔在乘客舱防火墙外，降低r290的燃爆风险。

所述的加热水ptc置于低温侧补偿热源，有助于提升低温环境下低温热源的温度，从而进一步提升热泵系统的能效，比高温侧补偿单纯提供热量更加有效，因此本实施例将补气增焓和r290这两种技术结合，辅以加热水ptc补充低温热源实现热泵空调可运行低温范围的扩展。

本实施例涉及上述采用r290的间接式低温热泵系统的换热方法，包括：两种制冷模式、七种制热模式、两种制冷制热除雾模式以及散热水箱化霜模式。

所述的第一制冷模式，具体为：从带补气电动压缩机1排出的高温高压气态制冷剂流入高压冷媒-冷却液换热器2冷凝换热，达到加热换热器另外一侧冷却液的效果。冷凝后的制冷剂从换热器2流出进入干燥储液罐3实现气液分离效果，确保流出储液罐3的制冷剂全部为液体。制冷剂在储液罐3的出口一分为二：一路制冷剂沿支路到达补气vpi电子膨胀阀5的入口，等焓节流后流入补气vpi板式换热器4的一侧吸热，变成中压过热态后的制冷剂从换热器4流出到达压缩机1的补气口进入压缩机；另一路制冷剂沿主路直接到达补气vpi板式换热器4的另一侧放热，变成高压过冷态的制冷剂从换热器4流出到达主路电子膨胀阀6的入口，等焓节流后流入低压冷媒-冷却液换热器7蒸发吸热，达到冷却换热器另外一侧冷却液的效果。最后，从换热器7流出的低压过热制冷剂回到压缩机吸气口开始下一个循环。

该模式下，冷却液回路可依据冷却液温度分为高温和低温两部分，其中高温冷却液回路用于将换热器2中制冷剂冷凝放出的热量和驱动电机11放出的热量带走；低温冷却液回路用于将换热器7冷却后的冷却液输送到室内冷却器22中，达到冷却车厢内空气的效果。

高温冷却液回路中，利用散热水箱13降温后的冷却液到达第二水泵18的入口，被水泵送入换热器2中吸收另一侧制冷剂放出的冷凝热，升温后的冷却液经第四三通水阀19回到第一膨胀水壶10的入口。从第一膨胀水壶10流出的冷却液到达驱动电机11的冷却模块入口，冷却液吸收驱动电机散出的热进一步温升，高温的冷却液从驱动电机11流出，经第一三通水阀12回到散热水箱13冷却后开始下一个循环。

低温冷却液回路中，经第一水泵9送入低压冷媒-冷却液换热器7的冷却液被另一侧制冷剂冷却后，流过第二三通水阀15达到第三三通水阀17入口，从第三三通水阀17流出的冷却液全部流入室内冷却器22，使流过室内冷却器22翅片表面的空气降温，从而达到车厢降温的效果。吸热后的冷却液从室内冷却器流出后经加热水ptc8回到第一水泵9的入口开始下一个循环，该模式下加热水ptc不工作。

所述的第二制冷模式中，制冷剂回路和高温冷却液回路与第一制冷模式保持一致，仅低温冷却液回路中从第三三通水阀17流出的冷却液需要根据电池热负荷分一部分冷却液流入电池25的冷却模块内，其余冷却液流入室内冷却器22，达到同时给电池和车厢制冷的效果。

所述的第一制热模式中，制冷剂回路与制冷模式保持一致，仅冷却液高温回路和低温回路需要重新组织。低温冷却液回路中，经第一水泵9送入低压冷媒-冷却液换热器7的冷却液热量被另一侧制冷剂吸收后温度降低，低温冷却液流过第二三通水阀15到达第一膨胀水壶10的入口。从第一膨胀水壶10流出的冷却液到达驱动电机11的冷却模块入口，该模式适用于车辆怠速模式，此时电机热量少，冷却液温升小。从驱动电机11流出的冷却液经第一三通水阀12回到散热水箱13入口，吸收吹过水箱翅片表面空气的热量温度升高，升温后的冷却液流经加热水ptc8回到第一水泵9的入口开始下一个循环，该模式下加热水ptc不工作。

高温冷却液回路中，经第二水泵18送入高压冷媒-冷却液换热器2的冷却液吸收换热器2另一侧制冷剂的冷凝热，升温后的冷却液经第四三通水阀19到达第五三通水阀20入口。从第五三通水阀20流出的冷却液全部流入室内加热器21，使流过室内加热器21翅片表面的空气升温，从而达到车厢制热的效果，放热后的冷却液从室内加热器流出后回到第二水泵18的入口开始下一个循环。

所述的第二制热模式中，制冷剂回路和低温冷却液回路与第一制热模式保持一致，仅高温冷却液回路中从第五三通水阀20流出的冷却液需要根据电池加热需求分一部分冷却液流入电池25的冷却模块内，其余冷却液流入室内加热器21，达到同时给电池和车厢制热的效果。

所述的第三制热模式中，制冷剂回路和高温冷却液回路与第一制热模式保持一致，但从第二三通水阀15流出的低温冷却液需要分一路，经第二膨胀水壶16和第三三通水阀17流入电池25的冷却模块内，吸收利用电池的余热当作第二低温热源。从电池25流出的冷却液经第六三通水阀24后与散热水箱13流出的冷却液混合，经加热水ptc8回到第一水泵9的入口开始下一个循环，该模式下加热水ptc不工作。

所述的第四制热模式中，制冷剂回路和高温冷却液回路与第二制热模式保持一致，但低温冷却液回路中热泵的低温热源不同，该模式适用于行车工况，吸收电机的散热量来完成热泵循环。低温冷却液流过第二三通水阀15到达第一膨胀水壶10的入口，从第一膨胀水壶10流出的冷却液到达驱动电机11的冷却模块入口，此时电机处于高速运转，散热量大，冷却液流经驱动电机后温升大。从驱动电机11流出的冷却液经第一三通水阀12旁通不经过散热水箱13，不与外界环境发生热交换，流经加热水ptc8回到第一水泵9的入口开始下一个循环，该模式下加热水ptc不工作。

所述的第五制热模式中，系统原理图与第四制热模式保持一致，但此时加热水ptc8开始工作，提供低温热源，而低温冷却液回路不与外界环境发生热交换，从而保证热泵可在更低的环境温度下仍然可以正常运行。

所述的第六制热模式中，制冷剂回路与第四制热模式保持一致，但冷却液高温回路和低温回路需要重新组织。低温冷却液回路中，从第二三通水阀15流出的低温冷却液需要分一路，经第二膨胀水壶16和第三三通水阀17流入电池25的冷却模块内，吸收利用电池的余热当作第二低温热源。从电池25流出的冷却液经第六三通水阀24后与散热水箱13流出的冷却液混合，经加热水ptc8回到第一水泵9的入口开始下一个循环，该模式下加热水ptc不工作。与此相应的，高温冷却液回路中，从第五三通水阀20流出的冷却液全部流入室内加热器21加热车厢，截断了高温冷却液流入电池的水回路。

所述的第七制热模式用于车厢加热需求不大时，利用电机的热量直接加热车厢，此时制冷剂回路不工作。冷却液从第二水泵18出口流经换热器2后到达第四三通水阀19入口，在第四三通水阀19出口一分为二：一路冷却液经第五三通水阀20全部流入室内加热器21加热吹过室内加热器翅片表面的空气，达到加热车厢的效果；另一路冷却液流经第一膨胀水壶10后，吸收驱动电机11释放的热量，利用第一三通水阀12旁通不经过散热水箱13，回到第二水泵18入口与室内加热器21出口的低温冷却液汇合，提升混合后冷却液温度开始下一个循环。

所述的第一制冷制热除雾模式用于车厢同时存在制冷除湿需求和制热升温需求的工况，该模式下制冷剂回路和低温冷却液回路与第一制冷模式保持一致，相较于第一制冷模式的高温冷却液回路，该模式将第四三通水阀19的出口冷却液一分为二，引入一路高温冷却液流入室内加热器21加热车厢，满足车厢制热升温的需求。

所述的第二制冷制热除雾模式用于车厢存在更大的制热升温需求的工况，该模式下制冷剂回路和低温冷却液回路与第一制冷制热除雾模式保持一致。但高温冷却液回路中，利用第一三通水阀12旁通不经过散热水箱13，回到第二水泵18入口与室内加热器21出口的低温冷却液汇合。此时高温热量未通过散热水箱13释放到环境中，可进一步提升混合后进入第二水泵18的冷却液温度，从而满足车厢一个更大的制热升温需求。

所述的散热水箱化霜模式用于利用热泵的制热量给散热水箱化霜的场景，该模式下制冷剂回路与制冷模式保持一致。高温冷却液回路中，经第二水泵18送入高压冷媒-冷却液换热器2的冷却液吸收换热器2另一侧制冷剂的冷凝热，升温后的冷却液经第四三通水阀19到达第一膨胀水壶10的入口。从第一膨胀水壶10流出的冷却液到达驱动电机11的冷却模块入口，冷却液吸收驱动电机散出的热进一步温升，高温的冷却液从驱动电机11流出，经第一三通水阀12回到散热水箱13散热化霜，从散热水箱流出的冷却液回到第二水泵18入口开始下一个循环。

低温冷却液回路中，经第一水泵9送入低压冷媒-冷却液换热器7的冷却液热量被另一侧制冷剂吸收后温度降低，低温冷却液流过第二三通水阀15到达第二膨胀水壶16，经第二膨胀水壶16和第三三通水阀17流入电池25的冷却模块内，吸收利用电池的余热当作低温热源。从电池25流出的冷却液经第六三通水阀24和加热水ptc8回到第一水泵9的入口开始下一个循环。

实施例2

如图12所示，本实施例涉及一种热泵系统，通过将带补气电动压缩机替换成普通的电动压缩机，同样是利用r290制冷剂设计完全式间接热泵，配合低温侧加热水ptc的采用以及r290制热工况蒸发压力较高的特点，可以实现该热泵系统在更低环境温度下的安全稳定运行。

本发明通过制冷剂回路极度紧凑化设计，显著减少热泵系统的制冷剂充注量，使其可缩减至通常充注量的数分之一，从而减少r290的年泄漏量，降低r290的安全风险。制冷剂回路完全隔绝于新能源车乘客舱外的特点可保证具有可燃可爆特性的r290不进入乘客舱内与乘客近距离接触，可将制冷剂阻隔在乘客舱防火墙外，降低r290的燃爆风险。热泵空调可运行低温范围的扩展可保证在环境温度-20℃，甚至更低环境温度-30℃以下热泵空调可正常运转，缓解低环温下车厢采暖对整车续航里程的影响。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

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