本实用新型涉及轨道车辆用空调领域，更具体地，涉及一种基于CO2冷媒的跨临界循环轨道车辆空调系统。
背景技术：
轨道车辆的空调装置一般安装在车顶部，夏天制冷，春秋两季通风，冬季用于对室外新风进行预热。现有的空调装置几乎全部采用氟利昂为冷媒，由于氟利昂是世界公认的引起臭氧层破坏及全球变暖的主要因素。随着全球变暖效应的逐步显现，减缓温室效应和臭氧层破坏成为全球面临的首要问题。必须尽早采用对环境无危害的制冷剂，全球各国也在加速推进环保制冷剂替代高GWP制冷剂的进程，自《蒙特利尔协定书》签订以来，以CFC和HCFC做制冷剂的空调逐步禁用，为了寻找合适制冷剂，全球开展了广泛研究，天然制冷剂引起了人们极大关注。由于绿色环保天然制冷剂CO2以其无毒、对臭氧层无破坏，不会产生温室效应，以及其良好的热力学性质等优点，再次受到制冷行业的重视。
CO2作为最具有潜力的自然工质是因为CO2有着如下诸多优点：
1)自然工质，对环境无破坏作用，ODP＝0、GWP＝1；
2)单位体积制冷量大，与普通工质相比，CO2设备体积小；
3)安全系数高，无毒不可燃，化学性质稳定；
4)粘度低，具有优良的流动性及传热性；
5)廉价容易获取。
技术实现要素：
本实用新型的目的在于，提供一种基于CO2冷媒的跨临界循环轨道车辆空调系统，通过使用跨临界的CO2冷媒，不仅对环境友好，而且在缩小设备体积和重量的同时保障制冷效率，满足苛刻的环保要求和轻量化的需求。
本实用新型的另一目的在于，进一步提高能效，节能减排。
为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：
一种基于CO2冷媒的跨临界循环轨道车辆空调系统，位于轨道车辆的车体顶部，包括蒸发腔和室外腔，所述室外腔内包括压缩机、室外换热器，所述蒸发腔内包括节流膨胀装置和室内换热器，所述室外换热器包括气体冷却器和冷却风机，所述冷却风机带动外界空气与所述气体冷却器进行换热，所述室内换热器包括蒸发器和蒸发风机，所述蒸发风机带动蒸发腔内空气与所述蒸发器进行换热，所述压缩机、气体冷却器、节流膨胀装置和蒸发器通过冷媒配管依次连接构成制冷循环回路，其特征在于，
所述制冷循环回路还包括中间换热器，所述中间换热器位于所述蒸发腔内或所述室外腔内，所述中间换热器的高温介质入口与所述气体冷却器的介质出口相连，所述中间换热器的高温介质出口与所述节流膨胀装置的介质入口相连，所述中间换热器的低温介质入口与所述蒸发器的介质出口相连，所述中间换热器的低温介质出口与所述压缩机的介质入口相连；
所述制冷循环回路中的冷媒为CO2，制冷循环为跨临界循环；
所述压缩机为跨临界制冷压缩机。
优选地，经所述跨临界制冷压缩机压缩后的CO2冷媒为温度范围在70℃～120℃间的超临界气体，经所述气体冷却器与外界空气换热后的CO2冷媒为温度范围在30℃～50℃间的超临界气体，经所述节流膨胀装置作用后的CO2冷媒为温度范围在6℃～18℃间的气液两相流体，经所述蒸发器与车内气体换热后的CO2冷媒为超临界气体。
优选地，在所述压缩机的介质入口端安装气液分离器。
优选地，在所述蒸发器的介质出口端安装吸气压力控制阀，在所述压缩机的介质出口端安装排气压力控制阀。
优选地，所述气体冷却器的管直径为5mm～8mm；所述蒸发器的管直径为6mm～10mm。
优选地，所述节流膨胀装置为电子膨胀阀。
优选地，所述电子膨胀阀分别与蒸发器的介质出口端安装的压力传感器和温度传感器电相连。
优选地，所述压缩机为变频压缩机，所述冷却风机和所述蒸发风机为变频风机。
优选地，所述冷却风机带动外界空气与所述气体冷却器进行换热时，外界空气的流向为从车体顶部两侧上方进入，先经过所述气体冷却器，然后在所述冷却风机的带动下，由下向上出风，从车体顶部中间排出
综上所述，通过采用跨临界的CO2冷媒，不仅节能环保，而且增加了单位容积制冷量，使得空调设备体积变小，能够满足轻量化的需求；通过引入中间换热器，进一步降低了气体冷却器介质出口的超临界流体的温度，缩小了气体冷却器出口和蒸发器入口的压差，从而大幅度降低节流损失，进而提高系统的效率；通过采用小管径的气体冷却器，可以提高在极端工况下的安全性和耐腐蚀要求，也提高了整个空调系统的可靠性；通过使用电子膨胀阀控制系统过热度，能够提供较好的流量调节，并且能耗较低；通过改变冷却风机的排风方向，提高了室外换热器的工作效率；通过采用变频的压缩机和风机，不仅可以满足更多范围内车厢内舒适性参数的调节要求，而且具有节能优势；通过采用车顶安装方法，便于后期维修和维护；通过增加排气压力控制阀和吸气压力控制阀，为整个系统增加了安全泄压功能，保证系统的安全性。
本实用新型还提供了所述制冷循环回路为两套的双压缩机空调系统，两套所述制冷循环回路分别位于车体顶部的两侧，所述冷却风机为两套所述制冷循环回路中的两个气体冷却器共用，所述蒸发风机为两套所述制冷循环回路中的两个蒸发器共用，所述冷却风机和所述蒸发风机分别位于车体顶部中间。上述技术方案的空调系统，形成了两套既可同时工作又可以单独工作的独立制冷系统，可以互为备机，一台系统出现故障，另一台可继续工作，保证乘客的舒适安全需求。
附图说明
图1是本实用新型的循环轨道车辆空调系统在车体顶部的简单布局示意图；
图2是本实用新型的循环轨道车辆空调系统的原理示意图；
图3是本实用新型的具体实施例中的空调系统在轨道车辆上的俯视图；
图4是图3所示的空调系统中的室外换热器的前视图。
具体实施方式
下面结合附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本实用新型的实施方式时，为了清楚地表示本实用新型的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本实用新型的限定来加以理解。
本实用新型的空调系统以跨临界的CO2为冷媒，CO2冷媒的临界点温度约为31℃，与环境温度非常接近，因此，其排热温度必须超过临界点温度，即CO2制冷循环的放热在超临界区进行，而蒸发吸热在亚临界区之中进行，从而形成跨临界制冷循环。
请参阅图1，图1是本实用新型的循环轨道车辆空调系统在车体顶部的简单布局示意图，如图所示，本实用新型的轨道车辆空调系统安装于轨道车辆车体1的顶部，为了安装、维护、更换简单，主要采用单元式结构。在单元式结构内部，主要分为冷凝腔8及蒸发腔5。冷凝腔8(室外腔)内设有压缩机11、室外热交换器(包括气体冷却器8和冷却风机7)，冷凝腔8上方与外界空气接触，外界冷空气在冷却风机7的作用下进入冷凝腔8，对气体冷却器8进行冷却，之后从冷凝腔8上方返回外界环境。蒸发腔5内主要包含室内热交换器(包括蒸发器4和蒸发风机2)、电加热器3、室内通风机(未在图中标出)、新风阀(未在图中标出)及回风阀(未在图中标出)等，蒸发腔5与车内环境相通，蒸发腔5包括出风口9和回风口10，车内热空气从回风口10进入蒸发腔5，与蒸发器4热交换，热空气被冷却后在蒸发风机2的作用下由出风口9排入车厢内，为乘客提供舒适温度的环境。蒸发腔5也可以通过新风进出装置使外界空气在蒸发腔5内与车内空气混合，改善车内空气质量。冬天时，可以关闭蒸发器4，只打开电加热器3，为车内冷空气加温，为乘客供暖。
请参阅图2，图2是本实用新型的循环轨道车辆空调系统的原理示意图。如图所示，一种基于CO2冷媒的跨临界循环轨道车辆空调系统，包括压缩机01、室外换热器02、节流膨胀装置03、室内换热器04和中间换热器05，室外换热器02包括气体冷却器021和冷却风机022，冷却风机022带动外界空气与气体冷却器021进行换热，室内换热器04包括蒸发器041和蒸发风机042，蒸发风机042带动蒸发腔内空气与蒸发器041进行换热。
请继续参阅图2。压缩机01、气体冷却器021、节流膨胀装置03和蒸发器041通过冷媒配管依次连接构成制冷循环回路，冷媒采用CO2，制冷循环采用跨临界循环。由于冷媒CO2的临界点较低，临界点压力亦相当高，所以，压缩机01应采用CO2冷媒专用的跨临界制冷压缩机。CO2冷媒经压缩机01后变为高温高压的超临界气体，在极端工况下，CO2超临界流体在压缩机01出口压力高达14Mpa，因此，为了保障安全，以及提高整个空调系统的可靠性，气体冷却器021和蒸发器041中采用小管径的冷凝管和蒸发管，优选地，气体冷却器021的冷凝管的管直径为5mm～8mm，蒸发器041的管直径为6mm～10mm。
在本实施例中，节流膨胀装置03优选为电子膨胀阀，该电子膨胀阀与蒸发器041的介质出口端安装的压力传感器和温度传感器电相连，通过测量蒸发器041的介质出口端的流体的温度和压力调节本身流量，确保空调系统的工作压力均衡，处于正常工作范围内，并且节能，另一方面，电子膨胀阀在低温下也能准确反应出过热度的变化，能够提供较好的流量调节，并且本身能耗较低。
为了保障空调系统能够满足轨道车辆的能效需求，至少不低于现有氟利昂冷媒的空调系统的能效，CO2冷媒在制冷循环回路的各段管路中的温度优选为：温度范围在6℃～18℃低温低压的气液两相流体CO2冷媒从车辆内环境吸收热量，其状态由气液两相转变为超临界的气态，跨临界制冷压缩机01将CO2冷媒加热至70℃～120℃间的超临界气体，气体冷却器021通过与外界空气换热使CO2冷媒第一次降温至30℃～50℃间的超临界气体，节流膨胀装置进一步使CO2冷媒降温在6℃～18℃间的气液两相流体，如此反复，完成整个制冷循环。
由于气体冷却器021介质出口和蒸发器041介质入口的压差较大，易导致整个系统的效率不高，因此，本实用新型在制冷循环回路中增加了中间换热器05，中间换热器05的高温介质入口051与气体冷却器021的介质出口相连，中间换热器05的高温介质出口052与节流膨胀装置03的介质入口相连，中间换热器05的低温介质入口053与蒸发器041的介质出口相连，中间换热器05的低温介质出口054与压缩机01的介质入口相连，如此，蒸发器041的介质出口端的CO2冷媒被再一次升温，而进入节流膨胀装置03的CO2冷媒被再一次降温，缩小气体冷却器021介质出口和蒸发器041介质入口间的压差，从而大幅度降低节流损失，进而提高系统的效率。中间换热器05可以安装在蒸发腔内，也可以安装在室外腔内。
室外热交换器02包括气体冷却器021和冷却风机022，冷却风机022的作用主要是通过风冷强化气体冷却器021的换热及冷却压缩机01，因此，冷却风机022的风向直接影响气体冷却器021的运行效率。为了提高室外热交换器02的换热效率，本实用新型改变了冷却风机022的排风方向，冷却风由车体01顶部两侧上方进入，先经过气体冷却器021，然后在冷却风机022的带动下，由下向上出风，与气体冷却器021完成换热。由于冷却风先经过气体冷却器021，此时，冷却风和气体冷却器021的换热温差最大，可以提高换热效率；另一方面，由于气体冷却器021内的CO2冷媒是在超临界状态下进行换热的，该状态的CO2冷媒温度相比非超临界的冷媒更加敏感，因此，通过改变风向，显著地提高了空调系统的室外腔的换热效率，能提高系统循环COP1％左右。
为了进一步节能，压缩机01优选为变频压缩机，冷却风机022和蒸发风机042也都优选为变频风机，通过使压缩机和风机同时变频工作，不仅可以满足更多范围内车厢内舒适性参数的调节要求，而且可以更具节能优势，另一方面，变频压缩机及风机的使用，减少了压缩机及风机启停对轨道车辆电源的冲击。
本实用新型还增加了安全泄压功能。由于CO2在工作时室外换热器02正常工作压力在12Mpa左右，停机时工作压力也在7Mpa，工作压力比较高，为了保证系统工作正常，增加了压力释放安全阀，安全释放阀能够主动泄压，保证车辆及乘客安全。具体地，在蒸发器041的介质出口端安装吸气压力控制阀08，在压缩机01的介质出口端安装排气压力控制阀07。压缩机01经过压缩后排出的高温高压超临界CO2气体经管路进入排气压力控制阀07，排气压力控制阀07判断管路压力是否超出系统最高运行压力，如果压力高于设定系统运行压力，则通过排气紧急泄压，如果压力在允许运行范围内，则超临界CO2气体经过气体冷却器021与空气进行换热。类似的，吸气压力控制阀08也可以判断管路中的压力是否位于工作区间，并可以自行调节，使管路中的压力处于正常工作范围，提高整个系统的可靠性。
为了保证压缩机01的正常工作，优选地，在压缩机01的介质入口端增加气液分离器06，防止液体进入压缩机01造成压缩机01损坏。
请参阅图3，图3是本实用新型的一具体实施例中的空调系统在轨道车辆上的俯视图。如图所示，包括压缩机01、气体冷却器021、节流膨胀装置03、蒸发器04和中间换热器05的制冷循环回路为两套，分别位于车体01顶部的两侧，冷却风机022位于车体01顶部中间，为两个气体冷却器021共用，蒸发风机042也位于车体01顶部中间，为两个蒸发器042共用。两套独立制冷系统可同时工作又可以单独工作，可以互为备机，一台系统出现故障，另一台可继续工作，保证乘客的舒适安全需求。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。