CO2热泵空调系统及其控制方法与流程

本发明涉及空调技术领域，具体而言，涉及一种CO₂热泵空调系统及其控制方法。

背景技术：

由于CO₂具有无毒，对臭氧层无破坏，不会产生温室效应，以及具有良好的热力学性质等优点，把CO₂作为制冷剂具再次受到制冷行业的重视。但是，传统的以CO₂作为制冷剂的空调系统，CO₂利用率低，制冷效果差。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种CO₂热泵空调系统及其控制方法，所述CO₂热泵空调系统能够提高空调系统制冷剂的利用率以及制冷效果。

第一方面，本发明实施例提供了一种CO₂热泵空调系统，所述空调系统包括通过管道依次连通的CO₂电动压缩机、车外换热器、四通换向带回热器的气液分离器、第一电子膨胀阀以及CO₂蒸发器。所述四通换向带回热器的气液分离器还与所述CO₂蒸发器以及所述CO₂电动压缩机连通。所述CO₂电动压缩机用于将CO₂转换成高温高压的气态冷媒；所述车外换热器用于对所述气态冷媒进行换热处理，以使所述气态冷媒冷却；所述四通换向带回热器的气液分离器用于将冷却后的气态冷媒进行回热，以使所述回热后的气态冷媒再次冷却；所述第一电子膨胀阀用于将所述再次冷却的气态冷媒节流降压，形成低温低压的冷媒；所述CO₂蒸发器用于通过所述低温低压的冷媒吸热；所述四通换向带回热器的气液分离器还用于将吸热后的低温低压的冷媒进行气液分离，将分离后得到的气态的低温低压的冷媒输送回所述CO₂电动压缩机。通过上述CO₂热泵空调系统，可以提高空调系统CO₂制冷剂的利用率以及制冷效果。

在本发明较佳的实施例中，所述CO₂热泵空调系统还包括水冷气冷器和第一截止阀，所述水冷气冷器的输入端与所述CO₂电动压缩机的输出端连通，所述水冷气冷器的输出端与所述第一截止阀的一端连通，所述第一截止阀的另一端与所述车外换热器的输入端连通；所述水冷气冷器与所述第一截止阀用于充当所述气态冷媒的流通通道。

在本发明较佳的实施例中，所述CO₂热泵空调系统还包括控制器、第二截止阀以及第二电子膨胀阀，所述第二截止阀一端与所述水冷气冷器的输出端连通，另一端与所述四通换向带回热器的气液分离器连通，所述第二电子膨胀阀一端与所述四通换向带回热器的气液分离器连通，另一端与所述车外换热器连通，所述控制器分别与所述水冷气冷器、第一截止阀、第一电子膨胀阀、第二截止阀以及第二电子膨胀阀电连接；所述控制器用于控制所述水冷气冷器、第一截止阀、第一电子膨胀阀、第二截止阀以及第二电子膨胀阀的工作状态；所述水冷气冷器用于将所述CO₂电动压缩机产生的高温高压的气态冷媒进行热交换；所述四通换向带回热器的气液分离器用于将所述气态冷媒进行回热，以使所述气态冷媒再次冷却；所述第二电子膨胀阀用于将所述气态冷媒节流降压，形成低温低压的冷媒，并使所述低温低压的冷媒进入所述车外换热器进行换热；所述四通换向带回热器的气液分离器还用于将吸热后的低温低压的冷媒进行气液分离，以使所述吸热后的低温低压的冷媒回到所述CO₂电动压缩机。

在本发明较佳的实施例中，所述CO₂热泵空调系统还包括暖风加热器；所述水冷气冷器与所述暖风加热器连通形成水路加热循环。

在本发明较佳的实施例中，所述CO₂热泵空调系统还包括电子水泵，所述电子水泵一端与所述水冷气冷器连通，另一端与所述暖风加热器连通。

在本发明较佳的实施例中，所述水冷气冷器采用板式结构。

在本发明较佳的实施例中，所述车外换热器上安装有温度传感器。

在本发明较佳的实施例中，所述车外换热器采用扁管竖直放置结构。

在本发明较佳的实施例中，所述CO₂电动压缩机是滑片式电动压缩机。

第二方面，本发明实施例提供了一种控制方法，所述控制方法应用于CO₂热泵空调系统，所述CO₂热泵空调系统包括通过管道依次连通的CO₂电动压缩机、车外换热器、四通换向带回热器的气液分离器、第一电子膨胀阀以及CO₂蒸发器，所述四通换向带回热器的气液分离器还与所述CO₂蒸发器以及所述CO₂电动压缩机连通；所述方法包括：所述CO₂电动压缩机将CO₂转换成高温高压的气态冷媒；所述车外换热器对所述气态冷媒进行换热处理，以使所述气态冷媒冷却；所述四通换向带回热器的气液分离器将冷却后的气态冷媒进行回热，以使所述回热后的气态冷媒再次冷却；所述第一电子膨胀阀将所述再次冷却的气态冷媒节流降压，形成低温低压的冷媒；所述CO₂蒸发器通过所述低温低压的冷媒吸热；所述四通换向带回热器的气液分离器将吸热后的低温低压的冷媒进行气液分离，将分离后得到的气态的低温低压的冷媒输送回所述CO₂电动压缩机。

本发明实施例的有益效果是：本发明提供了一种CO₂热泵空调系统及其控制方法，该CO₂热泵空调系统可以通过所述四通换向带回热器的气液分离器，实现了对CO₂制冷剂进行回热，给制冷剂提供了过冷度，提高了CO₂作为制冷剂的利用率的同时，也增强了该CO₂热泵空调系统的制冷效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供的一种CO₂热泵空调系统的结构框图；

图2为本发明第一实施例提供的另一种CO₂热泵空调系统的结构框图；

图3为本发明第一实施例提供的另一种CO₂热泵空调系统的结构框图；

图4为本发明第一实施例提供的另一种CO₂热泵空调系统的结构框图；

图5为本发明第二实施例提供的控制方法的流程图。

图标：100-CO₂热泵空调系统；110-CO₂电动压缩机；120-车外换热器；130-四通换向带回热器的气液分离器；140-第一电子膨胀阀；150-CO₂蒸发器；160-水冷气冷器；170-第一截止阀；180-第二截止阀；190-第二电子膨胀阀；200-暖风加热器；210-电子水泵。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

第一实施例

请参照图1，本发明第一实施例提供了一种CO₂热泵空调系统100，其包括通过管道依次连通的CO₂电动压缩机110、车外换热器120、四通换向带回热器的气液分离器130、第一电子膨胀阀140以及CO₂蒸发器150。其中，所述四通换向带回热器的气液分离器130还与所述CO₂蒸发器150以及所述CO₂电动压缩机110连通。

所述CO₂电动压缩机110设有用于存储CO₂制冷剂的存储装置，所述CO₂电动压缩机110用于将存储装置内的CO₂转换成高温高压的气态冷媒。其中，CO₂电动压缩机110可以是滑片式电动压缩机、螺杆式压缩机、涡旋式压缩机、滚动转子式压缩机等。

所述车外换热器120用于将所述高温高压的气态冷媒进行换热处理，以使所述气态冷媒冷却。

请参看图2，作为一种实施方式，所述CO₂热泵空调系统100还包括水冷气冷器160和第一截止阀170，所述水冷气冷器160的输入端与所述CO₂电动压缩机110的输出端连通，所述水冷气冷器160的输出端与所述第一截止阀170的一端连通，所述第一截止阀170的另一端与所述车外换热器120的输入端连通。所述水冷气冷器160与所述第一截止阀170用于充当所述气态冷媒的流通通道，以使所述高温高压的气态冷媒在流经所述车外换热器120的过程中得到冷却。

经过车外换热器120进行换热处理冷却后的气态冷媒流经四通换向带回热器的气液分离器130，所述四通换向带回热器的气液分离器130可以对冷却后的气态冷媒进行回热处理，利用温差进行热交换，以使所述回热后的气态冷媒进一步冷却，提供过冷度。

所述第一电子膨胀阀140用于将经过所述四通换向带回热器的气液分离器130回热后再次冷却的气态冷媒进行节流降压作用，形成低温低压的冷媒。其中，第一电子膨胀阀140可以根据温度或者压力精确地控制制冷的流量。

由第一电子膨胀阀140形成的低温低压的冷媒流经CO₂蒸发器150后，使得CO₂蒸发器150可以通过所述低温低压的冷媒吸收外界的热量，从而降低CO₂蒸发器150周围环境的温度，达到制冷的目的。

低温低压的冷媒吸收外界的热量后，会形成气液混合物，所述四通换向带回热器的气液分离器130还用于将吸热后的低温低压的冷媒进行气液分离，将分离后得到的气态的低温低压的冷媒输送回所述CO₂电动压缩机110，形成一个制冷循环。

该CO₂热泵空调系统100除了可以用于制冷外，还可以利用冷气进行除雾。

请参看图3，作为一种实施方式，CO₂热泵空调系统100还可以包括第二截止阀180以及第二电子膨胀阀190。所述第二截止阀180一端与所述水冷气冷器160的输出端连通，另一端与所述四通换向带回热器的气液分离器130连通，所述第二电子膨胀阀190一端与所述四通换向带回热器的气液分离器130连通，另一端与所述车外换热器120连通。当然，还可以在CO₂热泵空调系统100设置控制器，所述控制器分别与所述水冷气冷器160、第一截止阀170、第一电子膨胀阀140、第二截止阀180以及第二电子膨胀阀190电连接。

其中，所述控制器可以控制所述水冷气冷器160、第一截止阀170、第一电子膨胀阀140、第二截止阀180以及第二电子膨胀阀190的工作状态。例如，控制器可以控制水冷气冷器160是否对流经其中的冷媒起到热交换作用，可以控制第一截止阀170、第一电子膨胀阀140、第二截止阀180以及第二电子膨胀阀190处于开启状态还是关闭状态。

当控制器控制第一截止阀170以及第一电子膨胀阀140处于关闭状态，控制第二截止阀180以及第二电子膨胀阀190处于开启状态，控制水冷气冷器160对流经其中的冷媒起到热交换作用时，CO₂热泵空调系统100可以进行另外一条冷媒循环。

所述冷媒循环的过程为：水冷气冷器160对由CO₂电动压缩机110做功排出的高温高压的气态冷媒进行热交换作用，使得高温高压的气态冷媒冷却。由于第一截止阀170处于关闭状态，第二截止阀180处于开启状态，冷却后的冷媒通过第二截止阀180流向四通换向带回热器的气液分离器130。四通换向带回热器的气液分离器130通过其包含的回热器将冷却后的冷媒加热，利用温差进行热交换，以使回热后的气态冷媒进一步冷却，提供过冷度。第二电子膨胀阀190将进一步冷却后的冷媒进行节流降压，形成低温低压的冷媒，并使所述低温低压的冷媒进入车外换热器120进行换热；换热后的冷媒再次进入四通换向带回热器的气液分离器130后，进行换向和气液分离，最后将分离得到的气态的低温低压的冷媒输送回所述CO₂电动压缩机110，形成一个冷媒循环。

请参看图4，作为一种实施方式，所述CO₂热泵空调系统100还包括暖风加热器200，所述水冷气冷器160与所述暖风加热器200连通可以形成水路加热循环。进一步地，还可以在水冷气冷器160与所述暖风加热器200形成的水路加热循环中设置电子水泵210，电子水泵210的一端与水冷气冷器160连通，另一端与暖风加热器200连通。即水冷气冷器160、暖风加热器200以及电子水泵210共同形成一个水路加热循环。

当电子水泵210工作时，带动水冷气冷器160中由于热交换产生的热水进行循环，热水通过电子水泵210进入暖风加热器200，暖风加热器200与外界进行热交换，将高温的水变成低温的水输入水冷气冷器160中，实现一个制热循环，从而实现CO₂热泵空调系统100的制热功能。此外，电子水泵210还可以根据出水或出风温度进行流量的精确控制，到达节能的效果。

CO₂热泵空调系统100在制热过程中，还可以利用产生的热能对车外换热器120进行除霜处理。为了避免对车外换热器120长时间过度除霜，影响车外换热器120的加热效果，作为一种实施方式，可以在车外换热器120上安装一个温度传感器，用于检测车外换热器120的表面工作温度。当温度传感器检测到的温度达到预设温度时，CO₂热泵空调系统100开始对车外换热器120除霜。

此外，所述车外换热器120可以采用扁管竖直放置结构，便于除霜时，冷凝水的排放。

由于现有的HVAC总成包括电子膨胀阀、蒸发器以及暖风加热器，为了有效地降低主机厂和供应商的开发成本，降低开发风险，缩短开发周期，作为一种实施方式，所述第二电子膨胀阀190、所述CO₂蒸发器150以及所述暖风加热器200可以在现有的HVAC总成的基础上，只需要把现有的HVAC总成中的蒸发器改装成CO₂蒸发器即可。这样可以很大程度上降低主机厂和供应商的开发成本，降低开发风险，缩短开发周期。

作为一种实施方式，所述水冷气冷器160可以采用板式结构来实现热量的交换。

此外，该CO₂热泵空调系统100还可以进行扩展，实现电池的冷却和加热。

在本发明实施例中所采用的四通换向带回热器的气液分离器130，可以使整个系统更简单，有效减少零部件，从而降低成本，同时也为设置该系统的车辆节省了空间。

本发明实施例提供的CO₂热泵空调系统100的工作原理是：请参看图4，制冷循环时，第一截止阀170和第一电子膨胀阀140处于开启状态，第二截止阀180和第二电子膨胀阀190处于关闭状态。所述CO₂电动压缩机110将CO₂转换成高温高压的气态冷媒后，气态冷媒通过水冷气冷器160以及第一截止阀170流经车外换热器120，通过车外换热器120进行换热，将高温高压的气态冷媒冷却。冷却后的气态冷媒流经四通换向带回热器的气液分离器130，四通换向带回热器的气液分离器130用于将冷却后的气态冷媒进行回热，以使所述回热后的气态冷媒进一步冷却，利用温差进行热交换。进一步冷却后的气态冷媒通过所述第一电子膨胀阀140的节流降压作用，形成低温低压的冷媒进入所述CO₂蒸发器150，CO₂蒸发器150用于通过所述低温低压的冷媒吸热，从而降低周围环境的温度。从CO₂蒸发器150流出的冷媒再次经过所述四通换向带回热器的气液分离器130，四通换向带回热器的气液分离器130将冷媒进行气液分离，并将分离后得到的气态的低温低压的冷媒输送回所述CO₂电动压缩机110，完成制冷循环。在制热循环时，第一截止阀170和第一电子膨胀阀140处于关闭状态，第二截止阀180和第二电子膨胀阀190处于开启状态。水冷气冷器160对由CO₂电动压缩机110做功排出的高温高压的气态冷媒进行热交换作用，使得高温高压的气态冷媒冷却。由于第一截止阀170处于关闭状态，第二截止阀180处于开启状态，冷却后的冷媒通过第二截止阀180流向四通换向带回热器的气液分离器130。四通换向带回热器的气液分离器130通过其包含的回热器将冷却后的冷媒加热，利用温差进行热交换，以使回热后的气态冷媒进一步冷却，提供过冷度。第二电子膨胀阀190将进一步冷却后的冷媒进行节流降压，形成低温低压的冷媒，并使所述低温低压的冷媒进入车外换热器120进行换热；换热后的冷媒再次进入四通换向带回热器的气液分离器130后，进行换向和气液分离，最后将分离得到的气态的低温低压的冷媒输送回所述CO₂电动压缩机110，形成一个冷媒循环。当电子水泵210工作时，带动水冷气冷器160中由于热交换产生的热水进行循环，热水通过电子水泵210进入暖风加热器200，暖风加热器200与外界进行热交换，将高温的水变成低温的水输入水冷气冷器160中，实现一个制热循环。

第二实施例

请参看图5，本发明第二实施例提供了一种控制方法，所述控制方法应用于CO₂热泵空调系统，所述CO₂热泵空调系统包括通过管道依次连通的CO₂电动压缩机、车外换热器、四通换向带回热器的气液分离器、第一电子膨胀阀以及CO₂蒸发器，所述四通换向带回热器的气液分离器还与所述CO₂蒸发器以及所述CO₂电动压缩机连通；所述方法包括：

S110：所述CO₂电动压缩机将CO₂转换成高温高压的气态冷媒。

S120：所述车外换热器对所述气态冷媒进行换热处理，以使所述气态冷媒冷却。

S130：所述四通换向带回热器的气液分离器将冷却后的气态冷媒进行回热，以使所述回热后的气态冷媒再次冷却。

S140：所述第一电子膨胀阀将所述再次冷却的气态冷媒节流降压，形成低温低压的冷媒。

S150：所述CO₂蒸发器通过所述低温低压的冷媒吸热。

S160：所述四通换向带回热器的气液分离器将吸热后的低温低压的冷媒进行气液分离，将分离后得到的气态的低温低压的冷媒输送回所述CO₂电动压缩机。

综上所述，本发明提供了一种CO₂热泵空调系统100及其控制方法，该CO₂热泵空调系统100通过CO₂电动压缩机110将CO₂转换成高温高压的气态冷媒；车外换热器120对所述气态冷媒进行换热处理，以使所述气态冷媒冷却；四通换向带回热器的气液分离器130将冷却后的气态冷媒进行回热，以使所述回热后的气态冷媒再次冷却；第一电子膨胀阀140将所述再次冷却的气态冷媒节流降压，形成低温低压的冷媒；CO₂蒸发器150通过所述低温低压的冷媒吸热，降低周围环境的温度，四通换向带回热器的气液分离器130将吸热后的低温低压的冷媒进行气液分离，将分离后得到的气态的低温低压的冷媒输送回所述CO₂电动压缩机110，进而完成制冷循环以及提供了该CO₂热泵空调系统100的利用率以及制冷效果。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。