一种热泵空调系统、换热器及其控制方法与流程

本发明涉及一种热泵空调系统、换热器及其控制方法,具体应用于热泵空调领域。

背景技术：

目前，通用的热泵空调中，其除霜策略是热泵芯体作为蒸发器运作一段设定的时间(Ts)后，强制进入化霜程序，并没有结霜检测的过程。但是，影响霜形成的因素有很多，诸如环境温度和湿度、蒸发温度、风量、车速等。在实现本发明的过程中，在前述的因素的一个或多个因素发生变化的情况下，霜形成的速度均可能不一样，因此在设定时间Ts达到时，由于没有进行检测结霜而直接进入了除霜程序，因此更多的时候可能是：(1)霜很少或根本没有，但已经启动了除霜程序。(2)霜已经很严重，但还未启动进入除霜程序。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种热泵空调系统、换热器及控制方法，以通过检测热泵空调的结霜情况来启动除霜处理。

本发明实施例的第一方面提供一种热泵空调系统，包括：

包括换热器、第一传感器和第二传感器、空调控制器；

在制热状态下，所述换热器作为蒸发器使用，所述换热器具有系统配合能承受的换热器结霜极限位置对应的结霜分界线；所述换热器的制冷剂的不同存在状态之间形成有气液分界线，所述气液分界线包括所述换热器在没有结霜状态下的第一气液分界线和与预设的能承受的换热器结霜极限位置对应的第二气液分界线，第二气液分界线对应于换热器的结霜程度达到结霜分界线时制冷剂的气液分界线；所述制冷剂的不同存在状态为气液共存状态和气态；所述换热器包括至少一个进口和一个出口，所述气液共存状态的制冷剂 位于第一气液分界线相对靠近制冷剂流动方向的上游侧，所述气态的制冷剂位于第一气液分界线相对靠近出口侧；

所述第一传感器和第二传感器设置在所述换热器的不同位置；

所述第一传感器设置在第一气液分界线相对靠近所述换热器的制冷剂流动方向的上游侧即位于气液共存状态的制冷剂相对应位置，所述第二传感器设置在第一气液分界线相对靠近出口的另一侧且位于预设的能承受的换热器结霜极限位置时的气液分界线即第二气液分界线相对应位置；或者所述第一传感器设置在结霜分界线相对靠近所述换热器的制冷剂流动方向的上游侧，所述第二传感器设置在预设的能承受的换热器结霜极限位置时的结霜分界线相对应位置；

空调控制器根据所述第一传感器及第二传感器的信号，确定所述换热器的结霜面积是否到达预设的结霜极限位置，并在判断为是后，使所述热泵空调系统进行除霜处理；并在判断为否后，所述热泵空调系统不进行除霜处理。

相应的，本发明实施例的第二方面提供了一种热泵空调系统的换热器，包括：

所述换热器在所述热泵空调系统中可作为蒸发器使用，所述换热器在作为蒸发器使用时具有气液分界线，所述换热器具有系统配合能承受的换热器结霜极限位置对应的结霜分界线；所述气液分界线包括所述换热器在没有结霜状态下的第一气液分界线和与预设的能承受的换热器结霜极限位置对应的第二气液分界线，第二气液分界线对应于换热器的结霜程度达到结霜分界线时制冷剂的气液分界线；

所述换热器包括换热器体，所述换热器体包括与空气流动方向相背的背风面，所述换热器还包括设置在所述背风面上的第一传感器和第二传感器，所述第一传感器和第二传感器设置在所述换热器的不同位置；

所述第一传感器、第二传感器为温度传感器，所述第一传感器设置在第一气液分界线相对靠近所述换热器的制冷剂流动方向的上游侧即位于气液共存状态的制冷剂相对应位置，所述第二传感器设置在第一气液分界线相对靠近出口的另一侧且位于预设的能承受的换热器结霜极限位置时的气液分界线即 第二气液分界线相对应位置；或者所述第一传感器、第二传感器为风速传感器，所述第一传感器设置在预设的能承受的换热器结霜极限位置时的结霜分界线相对应位置，所述第二传感器设置在在结霜分界线相对靠近所述换热器的制冷剂流动方向的下游侧或上游侧。

本发明实施例的第三方面提供了的热泵空调控制方法，包括如下步骤：

在换热器上预设气液分界线，所述预设的气液分界线包括没有结霜状态下的第一气液分界线和与系统能承受的结霜极限位置对应的第二气液分界线；所述第一传感器、第二传感器为温度传感器，

将第一传感器设置在第一气液分界线相对靠近制冷剂流动方向的上游侧，所述第二传感器设置在第一气液分界线的另一侧且位于所述预设的能承受的结霜极限位置对应的第二气液分界线对应位置；

空调控制器根据所述第一传感器及第二传感器的信号，确定结霜面积是否到达预设的结霜极限位置。

与现有技术相比，使第一传感器、第二传感器中其中之一设置在系统所能承受的结霜极限位置相对应的位置，并通过这一传感器的变化判断是否需要化霜，这样空调系统可以通过监控结霜情况时，来实现有效除霜。

【附图说明】

图1是本发明实施例热泵空调系统部分模块连接的示意图；

图2a-2b是本发明实施例中热泵空调系统第一传感器和第二传感器的第一种布置示意图；

图3是本发明实施例中热泵空调系统中第一传感器和第二传感器第二种布置示意图；

图4是本发明实施例中热泵空调系统两个传感器与空调控制器第一种连接方式示意图；

图5是本发明实施例中热泵空调系统两个传感器与空调控制器第二种连接方式示意图；

图6是本发明热泵空调系统第三种实施例的第一传感器和第二传感器的示意图；

图7是本发明实施例的一种多流程的换热器气液分界线和法线的分布示意图；

图8是本发明实施例第二种多流程换热器的气液分界线和法线的分布示意图；

图9是本发明实施例热泵的一个换热器的示意图；

图10是本发明方法一种实施例的流程示意图。

【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。

需要说明的是，本发明实施例中的热泵空调系统既可应用于汽车热泵空调系统中，也可以应用在家用热泵空调系统中。下面以应用在汽车热泵空调系统为例进行说明。

参考图1，该图为本发明实施例中，热泵空调系统统部分模块连接的示意图。

如图1所示，该实施例的汽车空调系统包括第一传感器11、第二传感器12、控制器13及换热器14；

在制热状态下，换热器14作为蒸发器使用，在其内部流动的制冷剂的不同存在状态之间形成有气液分界线，气液分界线包括换热器14在没有结霜状态下的第一气液分界线和与预设的能承受的换热器结霜极限位置对应的第二气液分界线，所述制冷剂的不同存在状态为气液共存状态和气态；所述换热器包括至少一个进口和一个出口，所述气液共存状态的制冷剂位于第一气液分界线相对靠近制冷剂流动方向的上游侧，所述气态的制冷剂位于第一气液分界线相对靠近出口侧；

需要说明的，热泵空调系统有不同的换热器，本实施例中提到的换热器为室外换热器，换热器可以是单流程换热器或至少两个流程的多流程换热器。可以理解的，车用热泵系统具有多种工作模式，在不同的工作模式换热器的 功能有所不同，室外换热器在制热模式时作为蒸发器使用，而在制冷模式时作为冷凝器或冷却器使用。换热器作为蒸发器时，有的区域制冷剂处于气态和液态共存的状态，这个区域温度比较低称为两相区；有的区域制冷剂处于过热的气态，温度相对比较高，这个区域成为过热区。两相区和过热区的分界线，本说明书中定义为“气液分界线”，两相区的温度比过热区的温度相对低一些。气液分界线并不是一成不变的，会随着换热器状态的变化而变化，随着换热器使用时间延长，气液分界线会随着结霜程度的增加，逐步向出口方向移动。

第一传感器11和第二传感器12设置在换热器14的不同位置，第一传感器11设置在第一气液分界线相对靠近换热器14的制冷剂流动方向的上游侧即位于气液共存状态的制冷剂相对应位置，所述第二传感器设置在第一气液分界线相对靠近出口的另一侧，且位于与预设的能承受的换热器结霜极限位置相对应的第二气液分界线所在位置。

具体实现时，换热器14可以为单流程换热器；另外也可以为至少两个流程的多流程换热器，此时第一传感器11和第二换热器12设置于相对靠近所述出口的流程即制冷剂最后的一个流程，第一传感器11和第二换热器12位于换热器14的相对靠近所述出口的流程的垂直于制冷剂流动方向的长度的中间二分之一范围，第一传感器11相对第二传感器12远离换热器14的出口的位置，第二传感器12相对第一传感器11靠近所述换热器出口的位置。

在制热模式时，作为蒸发器的换热器会随着蒸发时间，可能会慢慢结霜，在结霜过程中，霜一般先从温度较低的区域形成，因此先从制冷剂气液共存的两相区中温度最低的区域开始，即从两相区最接近制冷剂进口的部位开始结霜。而当到达一定时间，两相区结霜部分区域的面积占整个换热器面积达到一定程度后，换热效果会明显降低，原来的两相区中的气液两相制冷剂不再能完全蒸发，使得过热区缩小，即气液分界线向过热区迁移。综上，结霜的过程伴随着气液分界线从两相区向过热区迁移。

需要说明的，本实施例所述的迎风面为换热器迎着风流动方向的平面，相对的，换热器的与迎风面相对的另一面为背风面。

第一传感器11所在位置为两相区，其温度相对较低，而第二传感器所在位置一开始为过热区，而随着时间，其逐渐靠近两相区，这样其与第一传感器的温差会越来越小甚至温度基本相同。空调控制器14根据第一传感器11及第二传感器12的信号，确定换热器14的结霜面积是否到达预设的结霜极限位置，并在判断为是后，使所述热泵空调系统进行除霜处理；并在判断为否后，所述热泵空调系统不进行除霜处理，具体可以将第一传感器11及第二传感器12的信号传递给空调控制器，由空调控制器进行判断。或者可以将第一传感器11及第二传感器12的信号传递给车辆的控制器，空调控制器13接收车辆控制器过来的信息，并根据接收的信号进行除霜操作或不操作。

需要说明的是，本文中所述的“第一”、“第二”仅为了彼此进行区分，并无其他特定含义。

下面结合附图进行说明，换热器为单流程换热器，参考图2a、图2b,其中LL表示热泵换热器没有结霜时的气液分界线即第一气液分界线，LG所在区域表示两相区，SG所在区域表示过热区，AL表示换热器设置第一传感器的位置，第一传感器设置在两相区沿换热器长度方向或者说换热器集流管长度方向的中间的二分之一所在位置，即不去靠近换热器两侧位置设置，BL表示换热器设置第二传感器的位置，第二传感器设置在换热器不结霜时的过热区，且靠近第二气液分界线；DL为结霜区域与非结霜区域大致的分界线，本发明实施例中定义为“结霜分界线”，事实上结霜区域与非结霜区域有可能分界不会那么分明，分界线可能是直线也可能是曲线，具体会与系统及换热器相关，并且可以通过试验验证得出；LL’为气液分界线向过热区移动后的气液分界线；AL点和BL点在不结霜时的温度有显著差异，原因是分别处于两相区和过热区，即AL点温度比BL点温度低。当热泵换热器作为蒸发器运行时，进口是两相态的低温制冷剂，空气流动方向是大致垂直于纸面。

正常运行时，当霜开始形成并经过一定时间达到一定结霜面积时，气液分界线向过热区移动，即LL’。此时LL’刚好越过BL点，使得AL和BL都处于在两相区中，由两相区气液共存的特性知道，AL点和BL点的温度变得大 致相等。

这样通过比较AL点温度和BL点温度的相对高低，可以判断结霜的程度。具体来说，当检测到AL点温度比BL点温度低时，判断热泵换热器没结霜或结霜不严重——即气液分离线还未越过BL点；当检测到AL点和BL点的温度变得大致相等时，可以判断气液分界线LL’刚好越过BL点，即两相区刚好同时覆盖AL点和BL点，同时可以判断结霜分界线DL的位置，也就是说可以判断结霜区域的大小。本实施例中，大致相等指的是预设一个温度差，该预设的值可选的，如为0.5K或1K。

具体实现时，上述AL点和BL点的位置也可根据具体的热泵换热器的制冷剂分布和温度分布进行确定，参考图3，该图是本发明实施例中热泵空调系统中第一传感器和第二传感器第二种布置示意图。LL0、LL1、LL2……是随着结霜时间推移的气液分界线分布，也就是气液分界线的轨迹(簇)。FL1、FL2、FL3……是上述气液分界线簇的法线。须理解的是：LL0、LL1、LL2等气液分界线簇和FL1、FL2、FL3等法线簇是由既定的热泵换热器的设计决定的；不同的热泵换热器，气液分界线簇和法线簇并不相同，它们需要通过对热泵换热器本身进行模拟分析或实验标定来找出，在此不再赘述。

AL点和BL点，可以布置在同一条法线上，举例说，如图3中的FL2。

LL0为热泵换热器刚开始工作即没有结霜的工作状态的气液分界线，即第一气液分界线。AL点须落在LL0一边的两相区中或者说靠近进口集流管即进口的一侧设置。

LL2为热泵换热器结霜程度为系统可以接受的最严重的气液分界线即第二气液分界线，具体位置可以通过实验标定，同一换器可能会随着系统的要求不同及系统的变化而变化。可理解的是：第二气液分界线位置LL2是空调系统本身的设计决定，这个位置可以由设计人员通过模拟分析或实验标定确定。

第一传感器和第二传感器具体实现的时候可以采用热敏电阻，例如负温度系数电阻(NTC)或正温度系数电阻，输出信号可以采用电压信号或电流信号。下面以NTC、输出信号为电压信号为例进行说明。

如图4，图2b所示，图4为热泵空调系统两个传感器和空调控制器第一 种连接方式示意图，把AL点的第一传感器13和BL点的第二传感器14串联在参考电压Vref和电压地G之间，参考电压Vref和电压地G由热泵空调控制器ECU提供。第一传感器13和第二传感器之间的电压作为反馈电压Vx连接到控制器(ECU)其中一个端口。当气液分离线还未越过BL点，AL比BL温度低，由负温度系数热敏电阻的特性可以知道AL电阻比BL电阻大。测量电压输出端Vx的电压，应该有Vx<1/2Vref。当气液分界线越过BL点，AL电阻和BL电阻大致相等，应该有Vx≈1/2Vref。实际应用中，可以使用一个系数f，当Vx<f·Vref，判定不需要除霜，当Vx＝f·Vref，判定需要进行除霜。f根据具体的一个热泵换热器的进行试验标定，范围可以在0.2～0.5，具体可根据系统需要试验并设定。

另外也可以把AL和BL在图2a、图2b中的位置进行调换，得出相似的结论，只是当Vx>f·Vref，判断不需要除霜。这里不赘述。

上面所述同样适用于图3中所示的情形，为了探测到实际的气液分界线是否已经达到LL2，可以把BL点放在FL2与LL2的交点附近，当Vx＝f·Vref(参见图3)，判定需要进行除霜，亦即认为气液分界线从正常的LL0位置由于结霜而移动到LL2位置时需要除霜。

即可以通过移动BL点的位置来实现探测不同的结霜程度并实现是否需要化霜的控制。如果系统对于结霜的容忍度减小，认为影响热泵换热器换热效果时的气液分界线的位置是LL1，则可以将第二传感器设置在LL1位置，如图3所示。如果对结霜的容忍度增加，并且频繁化霜对系统整体能效不利，将影响热泵换热器换热效果时的气液分界线的位置定在LL3，则可将第二传感器设置在FL2与LL3的交点附近。

参考图5，该图为热泵空调系统的两个传感器和空调控制器第二种连接方式示意图。空调控制器15分别有两个端口连接AL点的第一传感器13和BL点的第二传感器14。第一传感器的反馈电压Va,第二传感器的反馈电压为Vb。当气液分离线还未越过BL点，AL比BL温度低，由负温度系数热敏电阻的特性可以知道第一传感器电阻比第二传感器的电阻大。空调控制器15测量并比较两个端口(Va、Vb)的电压，应该有Va>Vb,判定不需要除霜。当气液分离线到达或越过BL点，第一传感器 电阻和第二传感器电阻大致相等，应该有Va≈Vb,判定需要进行除霜，这是指两个传感器基本相同的情况，如果两个传感器参数不同，则判定条件也需相应变化。实际应用中，可以使用一个系数f’，当Vx>f’·Vb，判定不需要除霜，当Vx＝f’·Vb，判定需要进行除霜。F’根据具体的一个热泵换热器的进行试验标定，范围可以在0.8～1.2。

上述是以传感器为负温度系数电阻、传感器输出为电压信号为例进行的说明，另外，该传感器也可以采用风速传感器，参考图6，AL’点和BL’点位置分别放置传感器为风速传感器。DL为结霜分界线即系统容许结霜的极限位置的分界线，AL’处于结霜结霜分界线所在的位置，BL’处于结霜分界线的相对靠近出口的区域。开始时，两个位置都没有霜，风速相对都较高，随着结霜程度的增加，当结霜程度达到AL’所在即结霜分界线所在位置时，由于霜能阻挡空气流动，因此AL’点处的风速比BL’点处的风速要显著的小。因此判断逻辑是：如果AL’点和BL’点的风速大致相等，判断不需除霜；如果AL’点的风速比BL’点的风速明显小，表明结霜分界线刚好越过AL’点，判断系统需要进行除霜。AL’点和BL’点可以处于DL线簇的同一条法线位置。另外第二传感器也可以放在结霜分界线的相对远离出口的区域，这样，一开始时两个传感器都没有结霜，而随着时间的延长，第一传感器部位结霜，所以两者之间存在风速的差异，而随着时间进一步延长，第二传感器位置而开始结霜，这时两者之间风速越来越接近，这时将程序可以设定为：从开始运行，并在两个传感器之间存在差异然后再进一步相等或接近时，判断需要除霜即可，这些只要在程序中进行控制即可。两个传感器之间最好具有一定的距离但距离又不要太大，如可以使两者之间沿制冷剂流动方向的距离占换热器的宽度的比例在1/4以下。这里换热器的宽度指是的沿制冷剂流动方向的换热器的尺寸。而针对多流程的换热器，两个传感器处于最后一个流程即靠近出口的流程中，且该两个传感器分布在垂直于制冷剂流动方向的长度的中间二分之一范围，且两个传感器之间所在流程的制冷剂流动方向的距离最后一个流程制冷剂流动方向的距离的比例在1/4以下。

通过改变AL’点即第一风速传感器的位置，能改变触发除霜时的结 霜面积的阈值。

上述实施例中所述的换热器制冷剂的流向和流程并无有特别的要求，无论制冷剂平行于重力方向流动还是垂直于重力方向流动，无论是单流程还是多流程。参考图7示出的是制冷剂流动方向大致平行于重力方向的一种多流程换热器的示意图；图8示出的是制冷剂流动方向大致垂直于重力方向的一种多流程换热器示意图。

如图7，流程N为最后一个流程，LL0仍然定义为热泵换热器正常工作没有结霜时的气液分界线即第一气液分界线，LLx为热泵换热器可接受的极限结霜程度时的气液分界线即第二气液分界线。

如图8流程N为最后一个流程，LL0仍然定义为热泵换热器正常工作没有结霜的气液分界线即第一气液分界线，LLx为热泵换热器可接受的极限结霜程度时的气液分界线即第二气液分界线；

无论是图7还是图8的示例，可以看出第一传感器和第二传感器沿气液分界线的同一法线设置，且第一传感器和第二传感器位于最后一个流程的垂直于冷媒流动方向总长度的中间二分之一范围内，即如最后一个流程的换热器长度为l，换热器为三流程，则换热器总长度为3l，而第一传感器和第二传感器设置于最后一个流程即最靠近出口的一个流程长度方向的中间位置，该中间位置的长度占该流程长度的1/2，长度方向垂直于制冷剂流动方向。

另外，上述实施例适用于各种热泵换热器的流动方式，不管是制冷剂出口与制冷剂入口在同一集流管侧，还是制冷剂出口与制冷剂入口在不同的集流管侧。

下面对本发明的换热器进行说明，参考图9，该图为换热器的一种示意图。换热器包括换热器体111、第一传感器112和第二传感器113，第一传感器112和第二传感器113设置在换热器的大致背风面位置，第一传感器112设置在相对远离换热器111出口的一侧，第二传感器113设置在第一气液分界线114相对靠近换热器111出口的另一侧，且位于预设的能承受的结霜极限位置所对应的气液分界线即第二气液分界线115所对应的位置。其中第一气液分界线为没有结霜状态下的气液分界线，第二气液 分界线115为预设的能承受的结霜极限位置对应的气液分界线。第一传感器112和第二传感器113可采用热敏电阻，例如正温度系数电阻或负温度系数电阻；第一传感器112与第二传感器113之间的连接方式可采用并联或串联的连接方式，如图4、图5所示。

第一传感器112和第二传感器113可以直接插在室外换热器的换热翅片之间，通过换热翅片之间的挤压力来抓紧固定。

第一传感器112和第二传感器113可以先固定在固定支架上，固定支架再固定在室外换热器的换热翅片之间，通过换热翅片之间的挤压力来实现固定。此时，第一传感器112和第二传感器113应处于室外换热器的背风侧。

换热器的制冷剂的出口和入口可以在同侧或不同侧。

下面结合附图说明上述实施例的控制方法，参考图10，该图是控制方法实施例的流程示意图。

如图10所示，控制方法包括如下步骤：

步骤S11，在换热器上预设气液分界线，所述预设的气液分界线包括没有结霜状态下的第一气液分界线及与和系统能承受的结霜极限位置对应的第二气液分界线；或者在换热器上预设结霜分界线；

步骤S12，将第一传感器设置在第一气液分界线相对靠近制冷剂流动方向的上游侧，所述第二传感器设置在第一气液分界线的另一侧且位于所述预设的能承受的结霜极限位置对应的第二气液分界线对应位置；或者将第一传感器设置在结霜分界线所对应位置，将所述第二传感器设置在结霜分界线的另一侧即相对靠近所述换热器出口一侧的位置；

步骤S13，空调控制器根据第一传感器及第二传感器的信号，确定结霜面积是否到达预设的结霜极限位置。

需要说明的是：以上实施例仅用于说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的实施例已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，所属技术领域的技术人员仍然可以对本发明实施例进行修改或者等同替换，而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的保护范围内。