专利名称：双级压缩低温热泵装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于通用机械或流体机械领域，尤其是涉及一种在外界低温环境条件下能向室内高效率提供热量的热泵空调装置。
近年来，随着我国经济的高速发展和人民生活水平的不断提高，空调用热泵在长江中下游、华南及西南等传统的非采暖区得到广泛应用，它以较低的能量消耗很好地满足了该地区冬季采暖的要求，应用效果良好。但在我国黄河流域、华北等地区一直是以燃煤、燃油和电暖气作为冬季采暖的主要手段。由于黄河流域及华北等地区气温较低，采用普通空气源热泵装置，其制热能力和性能系数大大降低，且压缩机排气温度超温，压缩机频繁启停，无法正常工作。因此普通空气源热泵装置无法满足寒冷地区冬季的采暖需求。
为使热泵装置能在低温环境中高效、稳定、可靠地运行，国内外进行许多技术研发和改进。日本《冷冻》杂志1997年第7期刊登了N.Horiuchi的文章“Developmentof Packaged Air Conditioner For Cold Regions”，介绍了采用变频装置当室外为低温环境时让压缩机高速工作增加工质循环量，同时向压缩机工作腔喷液以防止其排气温度超温；1993年《東芝レビユ-》第4期辰已光好发表论文“トリプルドライ機能付きガスエアコン”，1998年《三菱重工技报》第2期刊登了山神胜治“冷媒加热式ル-ムエアコン用バ-ナの开发”的文章，都提出了采用煤油燃烧器在低环境温度时辅助加热室外换热器来提高热泵的低温性能的技术方案；2001年3月，清华大学马国远在其博士后出站报告《空气源热泵低温适应性的研究》中提出采用带辅助进气口的涡旋压缩机，在低温工况时通过辅助进气口向压缩机工作室喷制冷剂，以此改善热泵内部压缩过程来提高热泵的低温性能的技术方案；国内一些厂家曾介绍过在室内水路上装辅助电加热器来解决低温工况下制热量不足问题。总的说来，这些技术都不能有效地实现在室外温度为-18℃条件下高效率、大能力、安全可靠地向室内供热的目标，故未从根本上解决问题。
鉴于上述原因，本实用新型提出一种适合寒冷地区使用的双级压缩低温热泵装置的技术方案。采用该技术方案的热泵装置不仅具有普通热泵装置在夏季和一般冬季工况下的性能和功用，而且能在-18℃的低温环境中稳定、可靠地长期运行，且具有足够的制热量和较高的性能系数，压缩机排气温度始终低于130℃，能够在没有辅助热源的条件下满足寒冷地区冬季的采暖要求。
本实用新型所提出的双级压缩低温热泵装置是在普通热泵装置制冷循环回路基础上增设高压级单元构成的。其中，普通热泵装置制冷循环包括压缩机、四通阀、制冷剂/空气换热器、风扇、热力膨胀阀、干燥过滤器、单向阀、高压贮液器、制冷剂/水换热器、气液分离器、制冷剂连接管路、水泵、水路连接管；所增设的制冷循环高压级单元由高压级压缩机、高压级四通阀、中间节流热力膨胀阀、电磁阀、中间冷却器和制冷剂连接管构成。
本实用新型提出的双级压缩低温热泵制冷循环及其装置的典型特征是在如
图1所示的普通热泵装置制冷循环中的干燥过滤器和制热用热力膨胀阀之间的B点与四通阀和制冷剂/水换热器之间的A点的制冷剂连接管之间增设一个高压级单元。本热泵装置在夏季制冷工况与一般冬季制热工况下，高压级单元不投入运行，按普通热泵装置的功效运行，具有普通热泵装置的性能和功用；当室外环境温度降低，导致装置性能下降时，热泵装置则启动高压级单元，将单级压缩制冷循环转化为双级压缩制冷循环，增大高压液态制冷剂的过冷度，降低压缩机吸气过热度，有效地增大热泵装置的制热能力，降低压缩机排气温度，实施结果表明，该热泵装置能在-18℃的低温环境中稳定、可靠地长期运行，且具有足够的制热量和较高的性能系数，压缩机排气温度始终低于130℃，能够满足寒冷地区的采暖需求。
在本实用新型所提出的双级压缩低温热泵装置中，用在高压贮液器内设置与高压贮液器腔体隔离且具有进出口的换热盘管的中间冷却型高压贮液器取代高压贮液器和中间冷却器，将会简化装置结构，降低装置成本，提高装置的可靠性。
在本实用新型所提出的双级压缩低温热泵装置中，两台压缩机或二者之一采用变频等容量可以调节的压缩机，可以在高压级单元运行时调节热泵装置的中间压力，使双级压缩低温热泵装置的性能系数和制热量得到进一步改善。
在本实用新型所提出的双级压缩低温热泵装置中，用制冷剂/空气换热器代替制冷剂/水换热器，用风机代替水泵，则可利用空气将夏季制冷工况产生的冷量与冬季制热工况产生的热量直接输送给室内环境。
以下结合附图及具体实施方式
对本实用新型的技术特征进一步进行描述。
附
图1是普通热泵装置制冷剂管路连接原理图。
附图2是双级压缩低温热泵装置实施例1制冷剂管路连接原理图。
附图3是双级压缩低温热泵装置实施例2制冷剂管路连接原理图。
附图4是双级压缩低温热泵装置实施例2中的中间冷却型高压贮液器结构图，其中图(a)为其立剖面图，图(b)为其横剖面图。
附图5是双级压缩低温热泵装置实施例3制冷剂管路连接原理图。
附图中的部件名称与编号如下1压缩机；2四通阀；3制冷剂/空气换热器；4换热器风扇；5制热用热力膨胀阀；6单向阀；7高压贮液器；8制冷用热力膨胀阀；9单向阀；10水路连接管；11制冷剂/水换热器；12气液分离器；13水泵；14分液头；15干燥过滤器；16高压级单元；17高压级压缩机；18高压级四通阀；19中间节流热力膨胀阀；20电磁阀；21中间冷却器；22中间冷却型高压贮液器；23筒体；24盘管换热器；25/26高压液体进/出液管；27/28盘管换热器进/出口；29制冷剂/空气换热器；30风机。
在上述部件中，制冷剂/空气换热器3与29一般采用翅片管式换热器；制冷剂/水换热器11一般采用板式换热器、套管式换热器；风机30一般采用轴流风机、离心风机与贯流风机。
图2是本实用新型所提出的双级压缩低温热泵装置实施例之一的制冷剂管路连接原理图。它包括压缩机1、四通阀2、制冷剂/空气换热器3、热力膨胀阀5与8、单向阀6与9、高压贮液器7、干燥过滤器15、制冷剂/水换热器11、气液分离器12、水泵13、制冷剂连接管、水路连接管以及由高压级压缩机17、高压级四通阀18、中间节流热力膨胀阀19、电磁阀20、中间冷却器21与制冷剂连接管构成的高压级单元16。对比
图1与图2可以看出，本实用新型提出的双级压缩低温热泵装置是在
图1所示的普通热泵装置制冷剂连接管路上增设高压级单元16构成的。
所述装置的高压级单元16连接在断开如
图1所示的普通热泵装置四通阀2和制冷剂/水换热器11之间、干燥过滤器15出口和制热用热力膨胀阀5入口之间的连接管后所形成的A、A’、B、B’四个接口之间，四个接口A、A’、B、B’分别与高压级单元16的高压级四通阀18的d出口与c出口、高压液体管入口、高压液体管出口相连。
由上述连接方式所构成的双级压缩低温热泵装置，不仅具备普通热泵装置的功能和功效，而且能在低温外气条件下稳定、可靠、高效地向空调水提供热量，以满足寒冷地区的采暖需求。在不同工况下该热泵装置的工作原理如下所述夏季制冷工况的工作原理在夏季制冷工况下，该双级压缩低温热泵装置中的高压级单元停止工作；原普通热泵装置所对应的各部件压缩机1、换热器风扇4、水泵13运行，四通阀2不上电。低温低压的气态制冷剂由压缩机1压缩成为高温高压的气态制冷剂，经四通阀2流入制冷剂/空气换热器3，经室外空气的冷却、冷凝成为过冷高压液体，再通过单向阀6流经中间冷却器21的高压液体通道进入高压贮液器7中；由高压贮液器7流出的高压液态制冷剂经干燥过滤器15后，在制冷用热力膨胀阀8内节流降压成为低温低压的液态与气态混合制冷剂，并进入制冷剂/水换热器11，在此液态制冷剂吸收水路中循环水的热量蒸发成低温低压的气态制冷剂，实现制取冷水的目的；低温低压的气态制冷剂经高压级四通阀18(c→d)、四通阀2、气液分离器12返回压缩机1，完成制冷循环。
一般冬季制热工况的工作原理在一般冬季制热工况下，该双级压缩低温热泵装置中的高压级单元仍然停止工作；原普通热泵装置所对应的各部件压缩机1、换热器风扇4、水泵13运行，四通阀2上电。低温低压的气态制冷剂由压缩机1压缩成为高温高压的气态制冷剂，经四通阀2、高压级四通阀18(d→c)、流入制冷剂/水换热器11，将所携带的热量释放给水路中循环水以加热循环水，实现制取热水的目的；高温高压的制冷剂蒸气在此冷却、冷凝成为过冷高压液体，再通过单向阀9进入高压贮液器7中；由高压贮液器7流出的高压液态制冷剂流经干燥过滤器15、中间冷却器21的高压液体通道，进入制热用热力膨胀阀5并节流降压成为低温低压的液态与气态混合制冷剂，再进入制冷剂/空气换热器3，在此液态制冷剂吸收室外空气的热量蒸发成低温低压的气态制冷剂，再流经四通阀2、气液分离器12返回压缩机1，完成制热循环。
严寒冬季制热工况的工作原理在严寒冬季制热工况下，该双级压缩低温热泵装置中的高压级单元投入运行，即高压级压缩机17运行，高压级四通阀18、电磁阀20上电；原普通热泵装置所对应的各部件压缩机1、换热器风扇4、水泵13运行，四通阀2上电。一方面，低温低压的气态制冷剂由压缩机1(此时可以称压缩机1为低压级压缩机1)压缩成为温度较高的中压气态制冷剂，经四通阀2、高压级四通阀18(d→b)流向高压级压缩机吸气管；另一方面，由高压贮液器7流出并进入中间冷却器21的高温高压制冷剂分为两路，一小部分经电磁阀20进入中间节流热力膨胀阀19，在此节流成中温中压的气液混合制冷剂后进入中间冷却器21的中温中压制冷剂通道，吸收流经中间冷却器21高温高压制冷剂通道内液态制冷剂的热量而蒸发，同时式高温高压液态制冷剂得到充分的过冷，蒸发出的中温中压制冷剂蒸气与由四通阀2流出的温度较高的中压制冷剂蒸气混合，混合后的气态制冷剂温度介于中间压力对应的饱和温度与压缩机1的排气温度之间；混合后的气态制冷剂进入高压级压缩机17，经高压级压缩机17压缩成高温高压气态制冷剂，再经高压级四通阀18(a→c)流入制冷剂/水换热器11，将所携带的热量释放给水路中循环水以加热循环水，实现制取热水的目的；高温高压的制冷剂蒸气在此冷却、冷凝成为高温高压液体，再通过单向阀9进入高压贮液器7中；由高压贮液器7流出的高压液态制冷剂一小部分经电磁阀20、中间节流热力膨胀阀19进入中间冷却器21的中温中压制冷剂通道，大部分高压液态制冷剂流经中间冷却器21高温高压制冷剂通道，吸收中温中压制冷剂通道内制冷剂的蒸发潜热而实现大幅度的过冷；得到充分过冷的高压液态制冷剂，经制热用热力膨胀阀5节流降压成为低温低压的液态与气态混合制冷剂，再进入制冷剂/空气换热器3，在此液态制冷剂吸收室外空气的热量蒸发成低温低压的气态制冷剂，再流经四通阀2、气液分离器12返回压缩机1，完成制热循环。由于高压级压缩机17的吸气温度低于(低压级)压缩机1的排气温度，使得高压级压缩机17的排气温度比不采用高压级单元16而直接由压缩机1单独压缩的排气温度，从而提高了热泵装置的可靠性，从而保证热泵装置长期在低温环境中稳定运行；另一方面，虽然进入制冷剂/空气换热器3的液态制冷剂的质量流量有所减少，但因双级压缩节约了单位质量制冷剂的压缩功，同时大幅度增加了进入制冷剂/空气换热器3的液态制冷剂的过冷度，使得单位质量制冷剂能从空气中获取更多的热量，从而提高了热泵超低温工况运行的性能系数和制热能力。
将图2所示的双级压缩低温热泵装置中的高压贮液器7与中间冷却器21集成为图3中的中间冷却型高压贮液器22，即可得到该发明的另一实施例，如图3所示。该实施例除高温高压液态制冷剂的过冷却过程发生在高压贮液器内外，其工作原理与图2所示实施例完全相同。采用中间冷却型高压贮液器22取代高压贮液器7和中间冷却器21，以简化装置形式，降低装置成本，提高装置的可靠性。
图4给出了中间冷却型高压贮液器22的一种结构原理简图，其中图(a)为其立剖面图，图(b)为其横剖面图。中间冷却型高压贮液器22由贮液器筒体23、盘管换热器24、高压液体进液管25和出液管26四部分构成；其盘管换热器24设置在贮液器筒体23内部且与贮液器筒体23内部不连通，其进/出口27/28伸出贮液器筒体23之外。盘管换热器24的进口27与中间节流热力膨胀阀19的出口相连，其出口28连接管与高压级四通阀18的b出口连接管汇合，一同与高压级压缩机17吸气管连接，不仅可以实现高压贮液器7与中间冷却器21的综合功能，而且保证了高压级压缩机17有效回油。
在本实用新型所提出的双级压缩低温热泵装置中，用制冷剂/空气换热器29代替制冷剂/水换热器11，用风机30代替水泵13，则可利用空气将夏季制冷工况产生的冷量与冬季制热工况产生的热量直接输送给室内环境，此即为本实用新型所提出的双级压缩低温热泵装置的又一实施例，如图5所示。在该实施例中，不需要将制冷剂的冷/热量先传递给水介质，再通过室内末端设备将水介质携带的冷/热量传递给室内环境，而制冷剂通过制冷剂/空气换热器29直接将其携带的冷/热量直接传递给空气介质，如果制冷剂/空气换热器29和风机30设置在室内，则制冷剂直接与室内空气进行换热，向室内释放制冷剂所携带的冷/热量；如果制冷剂/空气换热器29和风机30设置在室外，则需利用外接风管将经制冷剂/空气换热器29冷却/加热后的空气送入室内环境。
在本实用新型所提出的如图2、3、5所示的双级压缩低温热泵装置中，两台压缩机1、17或二者之一采用变频等容量可以调节的压缩机，可以在高压级单元运行时调节热泵装置的中间压力，增加低压级的制冷剂循环量，可以进一步改善双级压缩低温热泵装置的性能系数和制热量。
本实用新型已取得了良好的应用效果。采用该装置方案的热泵装置不仅具有普通热泵装置在夏季和一般冬季工况下的性能和功用，而且能在-18℃的低温环境中稳定、可靠地长期运行，且具有足够的制热量和较高的性能系数，压缩机排气温度始终低于130℃，能够在没有辅助热源的条件下满足寒冷地区冬季的采暖要求。
权利要求1.一种适合于寒冷地区使用的双级压缩低温热泵装置，它包括压缩机(1)、四通阀(2)、制冷剂/空气换热器(3)、热力膨胀阀(5、8)、单向阀(6、9)、高压贮液器(7)、干燥过滤器(15)、制冷剂/水换热器(11)、气液分离器(12)、水泵(13)、制冷剂连接管、水路连接管以及高压级单元(16)，其特征在于高压级单元(16)中包含有高压级压缩机(17)。
2.按照权利要求1所述双级压缩低温热泵装置，其特征在于所述高压级单元(16)由高压级压缩机(17)、高压级四通阀(18)、中间节流热力膨胀阀(19)、电磁阀(20)、中间冷却器(21)与制冷剂连接管构成。
3.按照权利要求1所述双级压缩低温热泵装置，其特征在于所述系统是在普通热泵系统中断开四通阀(2)和制冷剂/水换热器(11)之间、干燥过滤器(15)出口和制热用热力膨胀阀(5)进口之间的连接管后所形成的A、A’、B、B’四个接口与高压级单元(16)的高压级四通阀(18)d出口与c出口、高压液体管入口、高压液体管出口分别相连。
4.按照权利要求1所述的双级压缩低温热泵装置，其特征在于用中间冷却型高压贮液器(22)取代高压贮液器(7)和中间冷却器(21)。
5.按照权利要求4所述的双级压缩低温热泵装置，其特征在于所述的中间冷却型高压贮液器(22)由贮液器筒体(23)、盘管换热器(24)、高压液体进液管(25)和出液管(26)四部分构成，其盘管换热器(24)设置在贮液器筒体(23)内部且与贮液器筒体(23)内部不连通，其进口(27)与出口(28)伸出贮液器筒体(23)之外。
6.按照权利要求1所述的双级压缩低温热泵装置，其特征在于压缩机(1)与高压级压缩机(17)或二者之一采用变频等容量可以调节的压缩机。
7.按照权利要求1所述的双级压缩低温热泵装置，其特征在于制冷剂/水换热器(11)和水泵(13)可以分别由制冷剂/空气换热器(29)和风机(30)代替。
专利摘要一种适合于寒冷地区使用的双级压缩低温热泵装置，它是在包括由压缩机(1)、四通阀(2)、制冷剂/空气换热器(3)、热力膨胀阀(5、8)、单向阀(6、9)、高压贮液器(7)、干燥过滤器(15)、制冷剂/水换热器(11)和/或制冷剂/空气换热器(29)、气液分离器(12)、水泵(13)和/或风机(30)以及制冷剂和水路连接管构成的普通热泵装置制冷剂回路中增设一个由高压级压缩机(17)、高压级四通阀(18)、中间节流热力膨胀阀(19)、电磁阀(20)、中间冷却器(21)与制冷剂连接管构成的高压级单元(16)后形成的，采用该装置方案的热泵装置不仅具有普通热泵装置在夏季和一般冬季工况下的性能和功用，而且能在－18℃的低温环境中稳定、可靠地长期运行，且具有足够的制热量和较高的性能系数，压缩机排气温度始终低于130℃，能够在没有辅助热源的条件下满足寒冷地区冬季的采暖要求。
文档编号F25B30/02GK2530221SQ0220054
公开日2003年1月8日 申请日期2002年1月11日 优先权日2002年1月11日
发明者石文星, 蒋正苗, 田长青, 阎立新 申请人:北京森博苑科技有限公司, 北京西吉制冷技术有限公司