多级压缩循环中可运行的动态控制的车辆冷却和加热系统的制作方法
本发明总体上涉及车辆加热/冷却系统，并且更具体地涉及一种在多级压缩循环中运行的动态控制的车辆加热/冷却系统。
背景技术：
欧盟(EU)和美国(US)具革命性的全球变暖法规正不断地驱使汽车原始装备制造商(OEM)来寻求在移动的气候控制应用程序中使用的环境友好的制冷剂。传统使用的制冷剂，R134a，是具有1,430的高全球变暖潜能值(GWP)的氟化温室气体(F-气体)。欧盟指令2006/40/EC要求在2017年1月1日前强制逐步淘汰用于客用和轻型商用车辆的R134a。在美国，环境保护局(EPA)和国家公路交通安全管理局(NHTSA)已开发了一个国家计划以降低温室气体排放量并且提高燃料经济性。最近，EPA已列出R134a为在有限的例外的情况下对年型2021中开始的新制造的轻型车辆是不可接受的。
合成的制冷剂，R1234yf，被介绍为R134a的几乎随手可得的替代品，其具有4这样的相对低的GWP和相似的热力学性质。然而，R1234yf的有限供应和高价格引起关注并且一些OEM认为R1234yf是临时的替换同时继续研究其它解决方案。R744(二氧化碳)提供另一种选项，由于其成本低、不燃性、高容积热容量、且或许最重要的是，环境友好性，即，R744是具有消耗臭氧潜能值(ODP)＝0和GWP＝1的天然物质。
在冷却和加热的能量效率和有效性方面的系统性能是用于新气候控制技术的另一个驱使因素。移动空调(MAC)单元的运行可以消耗汽油和柴油发动机的10％或更多的燃料。对于混合动力和电动车辆，相比于电加热方法，热泵技术由于显著提高的加热效率而越来越普及。然而，R134a或R1234yf热泵系统对于在低于-20摄氏度的低环境条件遭受性能差和亚大气压运行。尽管R744系统避免这样的缺点，但其冷却效率随环境温度升高而降低。现有的R744系统通常被认为在低于大约40摄氏度是有用的。因此，需要存在利用克服所提到的局限性且在温暖和寒冷区域有效地运行的环境友好的制冷剂的系统。
优选地，系统将利用具有低GWP值的制冷剂，比如天然制冷剂R744，并且不管环境温度如何依然保持其效率。换句话说，系统应该在低于-20摄氏度的低环境条件下、高于40摄氏度、和在两者之间的所有条件有效地运行。系统还应该能够在所有类型的车辆包括混合动力和电动车中实施。在混合动力和电动车辆中，系统应该增加，不然的话显著增加汽车可行驶里程。同样地，用于汽油和柴油车辆的燃料经济性应该提高。
技术实现要素：
根据本文所描述的目的和益处，提供一种车辆加热和冷却系统。加热和冷却系统可以被概括地描述为包含用于在包括至少两个压缩的循环中压缩流体的至少一个压缩机，和用于根据车辆的环境条件来控制至少一个压缩机的控制模块。
在一个可行的实施例中，控制模块控制至少一个压缩机的功率。在另一个可行的实施例中，至少一个压缩机是通过马达驱动的电动压缩机，并且控制模块通过调整马达的速度来控制电动压缩机的功率。在又一可行的实施例中，至少一个压缩机是皮带传动的可变排量压缩机，并且控制模块通过改变皮带传动的可变排量压缩机的排量来控制皮带传动的可变排量压缩机的功率。
在另一个可行的实施例中，至少一个压缩机包括第一和第二涡旋盘。在又一可行的实施例中，第一和第二涡旋盘并行地运行。在另一个可行的实施例中，第一和第二涡旋盘分阶段地运行。在又一可行的实施例中，至少一个压缩机包括通过第一和第二涡旋盘共享的单式轴。
在一个其它可行的实施例中，车辆加热和冷却系统进一步包括第一和第二膨胀装置，并且控制模块根据至少车辆的环境条件来进一步控制第一和第二膨胀装置。
在另一个可行的实施例中，车辆加热和冷却系统进一步包括用于感测来自第一热交换器的流体出口的温度的第一温度传感器，和用于感测来自第二热交换器的流体出口的温度和压力的第二温度传感器和第一压力传感器，其中控制模块根据车辆的环境条件、第一感测到的温度、第二感测到的温度和第一感测到的压力来控制至少一个压缩机和第一和第二膨胀装置。
在又一可行的实施例中，第一和第二膨胀装置是电子膨胀装置，并且控制模块控制穿过第一膨胀装置的流体的第一压力降和穿过第二膨胀装置的流体的第二压力降。
在又一可行的实施例中，环境条件包括车辆的环境温度、车辆的环境湿度和车辆的环境太阳负荷中的至少一个。
在另一个可行的实施例中，控制模块控制至少一个压缩机的功率，并且至少一个压缩机是通过马达驱动的电动压缩机，并且控制模块通过调整马达的速度来控制电动压缩机的功率。
在另一个可行的实施例中，一种车辆加热和冷却系统包括用于在包括至少两个压缩的循环中压缩流体的压缩机、流体穿过的第一膨胀装置、流体穿过的第二膨胀装置、和用于根据车辆的环境条件来控制压缩机和第一和第二膨胀装置中的至少一个的控制模块。
在另一个可行的实施例中，控制模块根据第一热交换器和所述第一膨胀装置之间的流体的第一温度、第二热交换器和所述压缩机之间的流体的第二温度和所述第二热交换器和所述压缩机之间的流体的压力中的至少一个来控制压缩机和第一和第二膨胀装置中的至少一个。
根据本文所描述的目的和益处，提供一种加热和冷却车辆中的乘客舱的方法。方法可以被概括地描述为包括以下步骤：(a)在压缩机的第一和第二压缩循环中压缩流体；(b)确定车辆的环境温度；(c)感测来自第一热交换器的流体出口的温度；(d)感测来自第二热交换器的流体出口的温度和压力；(e)基于环境温度、和感测到的来自第一热交换器的流体的温度、以及感测到的来自第二热交换器的流体的温度和压力来计算压缩机的所需功率；和(f)根据计算出的压缩机的所需功率来调整压缩机的参数。
在一个可行的实施例中，调整压缩机的参数的步骤包括调整驱动压缩机的马达的速度。
在另一个可行的实施例中，方法进一步包括以下步骤：基于环境温度、和感测到的来自第一热交换器的流体的温度以及感测到的来自第二热交换器的流体的温度和压力来计算所需压力降，并且根据计算出的所需压力降来改变流体的压力。
在又一可行的实施例中，改变流体的压力的步骤包括调整流体穿过的至少一个膨胀装置的节流孔的大小。
在又一可行的实施例中，在冷却模式下第一热交换器冷却压缩的流体且第二热交换器充当蒸发器，并且在加热模式下第一热交换器充当蒸发器且第二热交换器冷却压缩的流体。
在下面的描述中，示出和描述了车辆加热和冷却系统和加热和冷却车辆中的乘客舱的相关方法的若干实施例。应当认识到的是，方法和系统能够是其它的、不同的实施例并且它们的若干细节能够在各种、明显的方面修改，而不脱离下面权利要求所阐述的和所描述的方法和总成。因此，附图和说明书应被视为本质上是说明性的而不是限制性的。
附图说明
并入本文并且形成说明书的一部分的附图示出了车辆加热和冷却系统和相关方法的若干方面，并且与说明书一起用来解释它们的某些原则。在附图中：
图1是具有含有在冷却模式下并行地运行的双重涡旋盘的压缩机的车辆加热和冷却系统的示意图；
图2A-2D描绘了不同的供选择的实施例的压缩机；
图3是具有含有在冷却模式下并行地运行的双重涡旋盘的压缩机的车辆加热和冷却系统的压力-焓图；
图4是具有含有在加热模式下并行地运行的双重涡旋盘的压缩机的车辆加热和冷却系统的示意图；
图5是用于车辆加热和冷却系统的典型的性能系数的等值线图表；
图6是具有含有在冷却模式下以多级压缩结构运行的双重涡旋盘的压缩机的车辆加热和冷却系统的供选择的实施例的示意图；以及
图7是具有含有在加热模式下以多级压缩结构运行的双重涡旋盘的压缩机的车辆加热和冷却系统的供选择的实施例的示意图。
现在详细地参照车辆加热和冷却系统和加热且冷却乘客舱的相关方法的现有的优选的实施例，其示例在附图中示出，其中相同的附图标记用来表示相同的元件。
具体实施方式
现在参照图1，其示出了包括压缩机12的车辆加热和冷却系统10的示意图。在所描述的实施例中，加热和冷却系统10是通过动态控制的单轴或多轴涡旋式压缩机12使用并行的或多级的压缩的R744空调和热泵系统。所描述的系统在温暖和寒冷区域中为汽车气候控制提供高效率、环境友好的解决方案。尽管技术可以在所有类型的车辆中且用不同的制冷剂来实施，但是系统被认为是最适合于使用由变速马达驱动的电动压缩机的混合动力和电动车辆。供选择的实施例可以利用通过相应地由车辆的曲轴驱动的压缩机皮带驱动的可变排量或传统压缩机。
在所描述的实施例中，压缩机包括双重涡旋盘和统一驱动元件。如图1所示，压缩机12包括通过由变速马达(未示出)驱动的第一和第二涡旋盘16、18共享的单式轴14。控制模块20电连接到压缩机12(如通过虚线所示)并且根据某些环境条件，包括，例如，如下面更详细地描述的车辆的环境空气温度(TA)来调整马达的速度。
如图2总体上所示，压缩机的类型和结构可以在供选择的实施例中变化。例如，图2A表示具有由所有涡旋盘共享的单式轴的压缩机。图2B表示具有多式轴，即，“T”形结构的压缩机。同样地，图2C表示具有平行的多式轴、结构的压缩机。另外，图2D表示两个可变排量压缩机或每个具有并行地运行的单个涡旋盘的两个涡旋式压缩机。一般来说，压缩机可以包括作用为在包括至少两个压缩的循环中压缩制冷剂而不管压缩机结构如何的一个或多个压缩机。
回到图1中所描述的实施例，压缩机12的第一涡旋盘16和第二涡旋盘18并行地运行。在这种设置中，以气体或蒸汽制冷剂形式的流体(例如，R744制冷剂)进入第一和第二吸入口22、24并且通过第一和第二涡旋盘16、18压缩。这个循环包括大体上同时，即，并行地发生的两个压缩并且将流体压缩成高压、高温蒸汽制冷剂。在第一压缩中由第一涡旋盘16压缩的高压、高温蒸汽制冷剂通过第一排放口26离开压缩机12，如通过动作箭头28所示。同样地，在第二压缩中由第二涡旋盘18压缩的高压、高温蒸汽制冷剂通过第二排放口30离开压缩机12，如通过动作箭头32所示。
第一和第二高压、高温蒸汽制冷剂被合并且供应给三通阀34。在所描述的实施例中，另一个控制模块(未示出)电连接到三通阀34并且向三通阀发送信号以根据系统10的运行的模式来引导高压、高温蒸汽制冷剂。在所描述的实施例中，控制模块是通过控制器局域网络(CAN)总线连接到车辆的计算机的动力传动系统控制模块。模块对通过车辆的乘员操作的开关(或其它输入装置)作出响应。开关(例如，空调(AC)开启/关闭开关)将运行的模式从加热模式变化到冷却模式或反之亦然。当然，在供选择的实施例中，车辆中的任何控制模块可以用来根据运行的模式来控制三通阀。
在供选择的实施例中，三通阀可以被足以根据模式来在所需方向上引导合并的高压、高温蒸汽制冷剂的一系列阀替换。此外，阀可以接收来自车辆内的动力传动系统控制模块或另一个控制模块的信号。不同的方向在下面更详细地描述用于下面的加热和冷却模式。在所描述的冷却模式下，三通阀34将如图1中动作箭头36所示的高压、高温蒸汽制冷剂引导到第一热交换器38。
在冷却模式下，第一热交换器38是如本领域已知的定位在发动机散热器40的前方的室外热交换器(或冷凝器)。在第一热交换器38内，从压缩机12排放的高压、高温蒸汽制冷剂主要由于室外空气的影响而被冷却。风扇42可以用来在第一热交换器38和散热器40上产生且调节气体的流动。
冷却的、高压制冷剂然后被发送到第一膨胀装置44，如通过动作箭头46所示。热电偶48在进入第一膨胀装置44之前感测来自第一热交换器38的制冷剂出口的温度(T1)。尽管热电偶48在图1中描绘为邻近第一膨胀装置44，但是在供选择的实施例中热电偶、或者不同类型的温度传感器可以定位为靠近第一热交换器38的出口，或在两个装置之间的任何地方。热电偶48电连接(如通过虚线所示)到控制模块20，该控制模块20接收用于在计算压缩机12的所需功率中使用的感测到的制冷剂的温度(T1)。
所需功率使用感测到的温度(T1)、第二感测到的温度(T2)、感测到的压力(P1)，和车辆的至少一个环境条件(例如，环境温度(TA))来计算。温度传感器(未示出)感测车辆的环境温度(TA)并且结果被提供给控制模块20。同样地，湿度传感器(未示出)感测车辆的环境湿度并且太阳负荷传感器(未示出)感测车辆的太阳负荷。结果也同样地被提供给控制模块20。第二感测到的温度(T2)和感测到的压力(P1)同样地被提供给控制模块20并且将在下面更详细地描述。根据计算出的所需功率，调整压缩机12的参数。例如，可以调整压缩机12的马达的速度以确保最佳性能。
在第一膨胀装置44中，来自第一热交换器38的出口制冷剂膨胀为如通过动作箭头52所示供应给分离器50的中间压力、中间温度液体和蒸汽制冷剂混合物。通过膨胀装置44的制冷剂的流动的调节或节流用来控制分离器50内的制冷剂的温度。增加压力降必然地降低分离器50内的制冷剂的温度。
在所描述的实施例中，控制模块20电连接到膨胀装置44(如通过虚线所示)并且运行为控制制冷剂的流动和穿过膨胀装置的制冷剂的压力下降，以确保最佳性能。在所描述的实施例中，第一膨胀装置44是电子膨胀装置，其具有在其中的、制冷剂通过的开口。控制模块20控制确定穿过装置的制冷剂的压力下降的膨胀装置44内的开口的大小。根据用来通过控制模块20计算压缩机的所需功率的相同输入来改变压力下降。
在所描述的实施例中，第二个膨胀装置54(在下面更详细描述)也是电子膨胀装置并且电连接到控制模块20(如通过虚线所示)。在供选择的实施例中，第一和第二膨胀装置中的一个或两个可以是具有一起提供特定的压力下降的相关联的旁路装置的固定节流孔管。
中间压力、中间温度气体制冷剂离开分离器50，如通过动作箭头56所示，并且被接收在压缩机12的第二涡旋盘18中，其中气体制冷剂再次被压缩且循环通过系统10。分离器50内分离的液体制冷剂作为中间压力、中间温度液体制冷剂被发送到第二膨胀装置54。在第二膨胀装置54中，中间压力、液体制冷剂膨胀为如通过动作箭头60所示供应给第二热交换器58的低压、低温液体和蒸汽制冷剂混合物。通过膨胀装置54的制冷剂的流动的调节或节流用来控制第二热交换器58内的制冷剂混合物的温度。增加压力降必然地降低第二热交换器58内的制冷剂的温度。
在所描述的实施例中，控制模块20电连接到第二膨胀装置54(如通过虚线所示)并且运行为控制制冷剂混合物的流动和穿过膨胀装置的制冷剂混合物的压力下降，以确保最佳性能。另外，第二膨胀装置54是电子膨胀装置，其具有在其中的、制冷剂通过的开口。控制模块20控制确定穿过装置的制冷剂的压力下降的膨胀装置44内的开口的大小。根据用来通过控制模块20计算压缩机的所需功的相同输入来改变压力下降。
在所描述的冷却模式下，第二热交换器58充当蒸发器。如本领域中已知的，蒸发器58被定位在车辆的暖通空调(HVAC)壳体62内并且用来冷却乘客舱(未示出)。流过蒸发器58(如通过箭头64所示)的温暖、潮湿空气将其热量传送到蒸发器内的较冷的制冷剂。副产物是低温空气和来自从蒸发器58按路线发送到车辆的外部的空气的冷凝。鼓风机(未示出)吹送空气穿过蒸发器58并且通过排气口66到乘客舱。这个过程在具有在其中更冷却、更干燥的空气的乘客舱中产生。混合门68阻止空气流动进入在加热模式下利用的且将在下面描述的第三热交换器70。
在蒸发器58内，低压、低温液体和蒸汽制冷剂混合物由于从空气除去的热量而沸腾为蒸汽。低压、低温蒸汽制冷剂离开蒸发器58，如通过动作箭头72所示，并且在压缩机12的第一涡旋盘16的第一吸入口22接收。热电偶71在进入压缩机12之前感测来自第二热交换器的制冷剂出口的温度(T2)。尽管热电偶71在图1中描绘为邻近第二热交换器58，但是在供选择的实施例中热电偶、或者不同类型的温度传感器可以定位为靠近第二热交换器58的出口，或在两个装置之间的任何地方。热电偶71电连接(如通过虚线所示)到控制模块20，该控制模块20接收用于在计算压缩机12的所需功率中使用的感测到的制冷剂的温度(T2)。
同样地，传感器73在进入压缩机12之前感测来自第二热交换器58的制冷剂出口的压力(P2)。尽管传感器73在图1中描绘为邻近热电偶71，但是在供选择的实施例中传感器、或者不同类型的压力传感器可以定位为靠近第二热交换器58的出口，或在两个装置之间的任何地方。传感器73电连接(如通过虚线所示)控制模块20，该控制模块20接收用于在计算压缩机12的所需功率中使用的感测到的制冷剂的压力(P2)。
在压缩机12中，制冷剂再次被压缩且循环通过系统10。更具体地，低压、低温蒸汽的压缩发生在第一涡旋盘16内并且来自分离器50的中间压力、中间温度蒸汽的压缩同时发生在第二涡旋盘18内。如上所述，来自压缩机12的第一和第二涡旋盘的压缩的制冷剂在通过三通阀34引导之前合并。
图3是具有含有在冷却模式下并行地运行的双重涡旋盘的压缩机12的车辆加热和冷却系统10的压力-焓图。图上的标记字母对应于系统10内的位置，如图1所示。例如，标记字母I被定位在来自压缩机12的第一和第二涡旋盘的压缩的制冷剂在通过三通阀34引导之前合并的点。更多地，A-B指的是第一涡旋盘内的压缩、指的是第二涡旋盘内的压缩、C-D指的是第一膨胀装置内的膨胀、和E-F指的是第二膨胀装置内的膨胀。
如图4所示，车辆加热和冷却系统10在加热模式下也是可运行的。在加热模式下，控制模块20将供应给三通阀34的合并的第一和第二高压、高温蒸汽制冷剂的流动引导到第三热交换器70而不是第一热交换器38。如上面所描述的，三通阀34根据运行的模式由动力传动系统控制模块来控制。因此，在加热模式下，三通阀34在与冷却模式下流动的方向不同的方向上引导流动。
因为合并的制冷剂不被引导到第一热交换器38，所以通过其的制冷剂的流动——如图1中通过动作箭头36和46所示——停止。为了清楚起见，在加热模式下制冷剂移动所在的管路仅在图1中未示出并且在冷却模式下制冷剂移动所在的管路仅在图4中未示出。同样的将是下面所描述的图6和7的情况。
在图4所示的加热模式下，三通阀34将合并的高压、高温蒸汽制冷剂引导到第三热交换器70，如通过动作箭头76所示。第三热交换器70是定位在车辆的HVAC壳体62内的补充热交换器。混合门68在加热模式下用来调节通过允许空气经过，或部分通过补充热交换器70的鼓风机(未示出)产生的空气的流动。以这种方式，用来使乘客舱温暖的空气的温度可以调整。当冷空气通过补充热交换器70时，高压、高温蒸汽制冷剂主要由于空气的影响而被冷却。
冷却的、高压制冷剂然后被发送到第一膨胀装置44，如通过动作箭头78所示。热电偶48在进入第一膨胀装置44之前感测来自第三热交换器70的制冷剂出口的温度(T1)。尽管热电偶48在图4中描绘为邻近第一膨胀装置44，但是热电偶可以被定位为靠近第三热交换器70的出口，或在两个装置之间的任何地方。更多地，在供选择的实施例中，附加热电偶可以用来在加热模式下感测温度。
如上面所描述的，热电偶48电连接到控制模块20，该控制模块20接收用于在计算压缩机12的所需功率中使用的制冷剂的感测到的温度(T1)。如上面所描述的，在冷却模式下，所需功率使用感测到的温度(T1)、第二感测到的温度(T2)、感测到的压力(P1)、和车辆的至少一个环境条件来计算。根据在加热模式下计算出的所需功率，调整压缩机12的参数。
在第一膨胀装置44中，来自第三热交换器70的出口制冷剂膨胀为如通过动作箭头52所示供应给分离器50的中间压力、中间温度液体和蒸汽制冷剂混合物。此外，通过膨胀装置44的制冷剂的流动的调节或节流用来控制分离器50内的制冷剂的温度，以确保最佳性能。增加压力降必然地降低分离器50内的制冷剂的温度。控制模块20运行为控制制冷剂的流动和通过膨胀装置的制冷剂的压力下降。根据用来通过控制模块20计算压缩机的所需功率的相同输入来改变压力下降。
所得到的中间压力、中间温度液体和蒸汽制冷剂混合物在分离器50中分离。如在冷却模式下，中间压力、中间温度气体制冷剂离开分离器50，如通过动作箭头56所示，并且被接收在压缩机12的第二涡旋盘18的进气口24中，其中气体制冷剂再次被压缩且循环通过系统10。分离器50内分离的液体制冷剂被发送到第二膨胀装置54。
在第二膨胀装置54中，液体制冷剂膨胀为如通过动作箭头80所示在加热模式下供应给第一热交换器38的低压、低温液体和蒸汽制冷剂混合物。通过膨胀装置54的制冷剂的流动的调节或节流用来控制供应给第一热交换器38的制冷剂的温度。增加压力降必然地降低第一热交换器38内的制冷剂的温度。控制模块20运行为控制制冷剂的流动和穿过膨胀装置的制冷剂的压力下降。根据用来通过控制模块20计算压缩机的所需功率的相同输入来改变压力下降。
尽管在附图中未描绘，但是车辆内的一个或多个控制模块运行为根据运行的模式来控制系统10内移动的制冷剂的流动。如图1所示，在冷却模式下，制冷剂通常通过三通阀34流动到第一热交换器38、第一膨胀装置44、第二膨胀装置、第二热交换器58、并返回到压缩机12。然而，在加热模式下，制冷剂通常通过三通阀34流动到第三热交换器70、第一膨胀装置44、第二膨胀装置54、第一热交换器38、并返回到压缩机12。在所描述的实施例中，这些制冷剂流动使用多个电磁阀来控制。
在所描述的加热模式下，第一热交换器38充当蒸发器。流经蒸发器38(如通过箭头82所示)的温暖、潮湿空气将其热量传送到蒸发器内的较冷的制冷剂。在蒸发器38内，低压、低温蒸汽和液体制冷剂混合物由于从空气中除去的热量而沸腾为蒸汽。低压、低温蒸汽制冷剂离开蒸发器38，如通过动作箭头84所示，并且在压缩机12的第一涡旋盘16的第一吸入口22被接收。
此外，热电偶81在进入压缩机12之前感测来自第一热交换器38的制冷剂出口的温度(T2)。尽管热电偶81在图4中描绘为靠近第一热交换器38，但是在供选择的实施例中热电偶、或者不同类型的温度传感器可以定位在两个装置之间的任何地方。热电偶81电连接(如通过虚线所示)到控制模块20，该控制模块20接收用于在计算压缩机12的所需功率中使用的感测到的制冷剂的温度(T2)。
同样地，传感器83在进入压缩机12之前感测来自第一热交换器38的制冷剂出口的压力(P2)。尽管传感器83在图4中描绘为邻近热电偶81，但是在供选择的实施例中传感器、或者不同类型的压力传感器可以定位在两个装置之间的任何地方。传感器83电连接(如通过虚线所示)到控制模块20，该控制模块20接收用于在计算压缩机12的所需功率中使用的感测到的制冷剂的压力(P2)。
在压缩机12中，制冷剂再次被压缩且循环通过系统10。更具体地，低压、低温蒸汽的压缩发生在第一涡旋盘16内并且来自分离器50的中间压力、中间温度蒸汽的压缩同时发生在第二涡旋盘18内。如上所述，来自压缩机12的第一和第二涡旋盘的压缩的制冷剂在通过三通阀34引导之前合并。
如上所示，在所描述的实施例中的控制模块20根据某些因素来调整马达的速度。这些因素包括车辆的至少一个环境条件和感测到的温度(T1和T2)以及感测到的压力(P1)。如上面所描述的，感测到的温度T1和T2和感测到的压力P1根据运行的模式在系统内的不同位置被确定。至少一个环境条件可以包括环境温度、环境湿度、和车辆的太阳负荷中的一个或多个。根据计算出的所需功率，压缩机12的参数可以被调整和/或制冷剂的压力可以在第一和/或第二膨胀装置内被改变。尽管控制模块对于所有环境温度是有效的并且试图改进对于整个运行范围内的系统效率，但是改进的程度在不同的温度变化。
在冷却模式下，例如，控制模块内的算法对环境空气温度(TA)作出反应。总体上参照图3中的压力-焓(p-h)图，在某些环境温度下，得到相应的蒸发温度T1和蒸发压力P(注意的是，T/P在线F-A上是恒定的)。环境温度越温暖，则蒸发压力越高。给定T1、P1和T3，得到产生最大的性能系数(COP)的最佳排气压力(Pd＝PB＝PC＝PH＝PI)和中间压力(Pm＝PD＝PE＝PG)。要求实现这种最佳运行条件的压缩机功率然后被计算，即，压缩的热量、压缩机功、或压缩机功率被计算。
参照图1，制冷量和压缩机功被计算为Qe＝(1-xD)(hA-hF)和Wc＝xD(hH-hG)+(1-xD)(hB-hA)，其中xD＝(hD-hE)/(hG-hE)。给出蒸发器制冷剂出口压力，和热交换器(例如，蒸发器和气体冷却器)制冷剂出口温度，得到用于最大COP(＝Qe/Wc)的最佳中间压力和排放压力。图5示出了在5摄氏度的蒸发温度(假设在蒸发器出口的饱和蒸汽)和40摄氏度的气体冷却器出口温度的COP分布曲线。最佳的中间和排放压力分别为54.4巴和98.7巴，产生2.76的最大COP。如关于图1的实施例描述的利用平行的压缩使在单压缩情况下一循环内的系统效率提高了15％。
随T1、P1、和T2而变化的最佳的排放(Pd)和中间压力(Pm)的相关性在控制模块中建立为算法的一部分。控制模块然后调整排量(用于机械压缩机)或马达速度(用于电动压缩机)以产生所需功率(Wc)。在所描述的实施例中，控制模块还控制第一膨胀装置的开口大小以给予Pd–Pm、或PC–PD的压力降且控制第二膨胀装置的开口大小以给予Pm–Pe、或PD–PA的压力降。
根据加热和冷却具有加热和冷却系统的车辆中的乘客舱的方法，流体在压缩机12的第一和第二压缩循环中被压缩。在一个实施例中，第一和第二压缩循环发生在并行地运行的压缩机的第一和第二涡旋盘16、18中。在其它实施例中，第一和第二涡旋盘可以串联地运行。
在其它步骤中，确定车辆的环境温度且感测流体的温度。在所描述的实施例中，感测来自第一热交换器的流体出口的温度。在另一个步骤中，感测流体的第二温度和压力。在所描述的实施例中，感测来自第二热交换器的流体出口的第二温度和压力。在另一个步骤中，压缩机12的所需功率基于环境温度和感测到的流体的温度和压力来计算。用来计算控制模块内的所需功率的算法被如上概括地描述并且可以依赖于车辆的附加环境条件(例如，太阳负荷)。根据计算出的压缩机的所需功率，调整压缩机的参数。在所描述的实施例中，可以调整驱动压缩机的马达的速度。
在另一个实施例中，方法可以包括根据计算出的所需压力降PC–PD和/或PD–PA来改变流体的压力的步骤。这个步骤可以通过调整流体穿过的膨胀装置的至少一个的节流孔的大小来实现。在另一个实施例中，在冷却模式下第一热交换器冷却压缩的高温制冷剂蒸汽且第二热交换器充当蒸发器，并且在加热模式下第一热交换器充当蒸发器且第二热交换器冷却高温蒸汽制冷剂。例如，在图1中所示的冷却模式下，第一热交换器38冷却压缩的高温蒸汽制冷剂且第二热交换器58充当蒸发器。同样地，在图4中所示的加热模式下，第一热交换器38充当蒸发器且第二热交换器(其被称为第三热交换器70)冷却高温蒸汽制冷剂。
现在参照图6，其示出了包括压缩机90的车辆加热和冷却系统88的示意图。加热和冷却系统88总体上与关于图1所描述的系统一样，除了压缩机90的第一和第二涡旋盘92、94使用多级压缩。换句话说，压缩机90的第一涡旋盘92和第二涡旋盘94串联地运行以在包括第一和第二压缩的循环中压缩流体。更具体地，压缩机90包括通过由变速马达(未示出)驱动的第一和第二涡旋盘92、94共享的单式轴96。控制模块20根据如上所描述的某些因素来调整马达的速度。
在所描述的实施例中，高压、高温蒸汽制冷剂离开压缩机90并且供应给三通阀34。在所描述的实施例中，控制模块向三通阀34发送信号以如通过动作箭头36所示将高压、高温蒸汽制冷剂引导到第一热交换器38。在冷却模式下，第一热交换器是室外热交换器。
在冷却模式下，第一换热器38被定位在如本领域中已知的发动机散热器40的前方并且充当气体冷却器以冷却从压缩机90排放的高压、高温蒸汽制冷剂。在第一热交换器38内，制冷剂主要是由于外部空气的影响而冷却。风扇42可以用来产生且调节第一热交换器38和散热器40上的空气的流动。
冷却的、高压制冷剂然后被发送到第一膨胀装置44，如通过动作箭头46所示。热电偶48在进入第一膨胀装置44之前感测来自第一热交换器38的制冷剂出口的温度(T1)。热电偶48电连接到控制模块20，该控制模块20接收用于在计算压缩机90的所需功率中使用的制冷剂的感测到的温度(T1)。所需功率使用感测到的温度(T1)、第二感测到的温度(T2)、感测到的压力(P1)、和车辆的至少一个环境条件(例如，环境温度(TA))来计算。根据计算出的所需功率，调整压缩机90的参数。例如，可以调整压缩机90的马达的速度。
在第一膨胀装置44中，来自第一热交换器38的出口制冷剂膨胀为如通过动作箭头52所示供应给分离器50的中间压力、中间温度液体和蒸汽制冷剂混合物。通过膨胀装置44的制冷剂的流动的调节或节流用来控制分离器50内的制冷剂的温度。增加压力降必然地降低分离器50内的制冷剂的温度。
控制模块20电连接到膨胀装置44(如通过虚线所示)并且运行为控制制冷剂的流动和穿过膨胀装置的制冷剂的压力下降，以确保最佳性能。在所描述的实施例中，第一膨胀装置44是电子膨胀装置，其具有在其中的、制冷剂通过的开口。控制模块20控制确定穿过装置的制冷剂的压力下降的膨胀装置44内的开口的大小。根据用来通过控制模块20计算压缩机的所需功率的相同输入来改变压力下降。
中间温度、中间压力气体制冷剂离开分离器50，如通过动作箭头56所示，并且在结合点102与离开压缩机90的第一涡旋盘92的蒸汽结合。分离器50内分离的液体制冷剂作为中间压力、中间温度液体制冷剂被发送到第二膨胀装置54。在第二膨胀装置54中，中间压力、液体制冷剂膨胀为如通过动作箭头60所示供应给第二热交换器58的低压、低温液体和蒸汽制冷剂混合物。通过膨胀装置54的制冷剂的流量的调节或节流用来控制第二热交换器58内的制冷剂混合物的温度。增加压力降必然地降低第二热交换器58内的制冷剂的温度。
此外，控制模块20电连接到第二膨胀装置54(如通过虚线所示)并且运行为控制制冷剂的流动和穿过膨胀装置的制冷剂混合物的压力，以确保最佳性能。在所描述的实施例中，第二膨胀装置54是电子膨胀装置，其具有在其中的、制冷剂通过的开口。控制模块20控制确定穿过装置的制冷剂的压力降的膨胀装置54内的开口的大小。根据用来通过控制模块20计算压缩机的所需功率的相同输入来改变压力下降。
在所描述的冷却模式下，第二热交换器58充当蒸发器。如本领域中已知的，蒸发器58被定位在车辆的暖通空调(HVAC)壳体62内并且用来冷却乘客舱(未示出)。流过蒸发器58(如通过箭头64所示)的温暖、潮湿空气将其热量传送到蒸发器内的较冷的制冷剂。副产物是低温空气和来自从蒸发器58按路线发送到车辆的外部的空气的冷凝。鼓风机(未示出)吹送空气穿过蒸发器58并且通过排气口66到乘客舱。这个过程在具有在其中更冷却、更干燥的空气的乘客舱中产生。混合门68阻止空气流动进入在加热模式下利用的且将在下面描述的第三热交换器70。
在蒸发器58内，低压、低温蒸汽和液体制冷剂混合物由于从空气除去的热量而沸腾为蒸汽。低压、低温蒸汽制冷剂离开蒸发器58，如通过动作箭头72所示，并且在压缩机90的第一涡旋盘92的第一吸入口98被接收。热电偶71在进入压缩机90之前感测来自第二热交换器58的制冷剂出口的温度(T2)。尽管热电偶71在图6中描绘为邻近第二热交换器58，但是在供选择的实施例中热电偶、或者不同类型的温度传感器可以定位为靠近第二热交换器58的出口，或在两个装置之间的任何地方。热电偶71电连接(如通过虚线所示)到控制模块20，该控制模块20接收用于在计算压缩机90的所需功率中使用的感测到的制冷剂的温度(T2)。
同样地，传感器73在进入压缩机90之前感测来自第二热交换器58的制冷剂出口的压力(P2)。尽管传感器73在图6中描绘为邻近热电偶71，但是在供选择的实施例中传感器、或者不同类型的压力传感器可以定位为靠近第二热交换器58的出口，或在两个装置之间的任何地方。传感器73电连接(如通过虚线所示)到控制模块20，该控制模块20接收用于在计算压缩机90的所需功率中使用的感测到的制冷剂的压力(P2)。
在压缩机90的第一涡旋盘92中，制冷剂被压缩且在结合点102与来自分离器50的蒸汽结合。如上所述，结合的制冷剂蒸汽在第二涡旋盘94的第一吸入口100被接收，其中气体制冷剂在第二涡旋盘中再次被压缩且循环通过系统88。
在图7中所示的供选择的实施例的加热模式下，三通阀34将合并的高压、高温蒸汽制冷剂引导到第三热交换器70，如通过动作箭头76所示。第三热交换器70是定位在车辆的HVAC壳体62内的补充热交换器。混合门68在加热模式下用来调节通过允许空气经过，或部分通过补充热交换器70的鼓风机(未示出)产生的空气的流动。以这种方式，用来使乘客舱温暖的空气的温度可以调整。当冷空气通过补充热量交换器70时，高压、高温蒸汽制冷剂主要由于空气的影响而被冷却。
冷却的、高压制冷剂然后被发送到第一膨胀装置44，如通过动作箭头78所示。热电偶48在进入第一膨胀装置44之前感测来自第三热交换器70的制冷剂出口的温度(T1)。尽管热电偶48在图7中描绘为邻近第一膨胀装置44，但是热电偶可以被定位为靠近第三热交换器70的出口，或在两个装置之间的任何地方。
如上面所描述的，热电偶48电连接到控制模块20，该控制模块20接收用于在计算压缩机90的所需功率中使用的感测到的制冷剂的温度(T1)。如上面所描述的，在冷却模式下，所需功率使用感测到的温度(T1)、第二感测到的温度(T2)、感测到的压力(P1)、和车辆的至少一个环境条件(例如，环境温度(TA))来计算。根据在加热模式下计算出的所需功率，调整压缩机90的参数。
在第一膨胀装置44中，来自第三热交换器70的出口制冷剂膨胀为如通过动作箭头52所示供应给分离器50的中间压力、中间温度液体和蒸汽制冷剂混合物。此外，通过膨胀装置44的制冷剂的流动的调节或节流用来控制分离器50内的制冷剂的温度。增加压力降必然地降低分离器50内的制冷剂的温度。控制模块20运行为控制制冷剂的流动和穿过膨胀装置的制冷剂的必然压力下降以确保最佳性能。根据用来通过控制模块20计算压缩机的所需功率的相同输入来改变压力下降。
中间压力、中间温度液体和蒸汽制冷剂混合物在分离器50中分离。如在冷却模式下，中间压力、中间温度气体制冷剂离开分离器50，如通过动作箭头56所示，并且在结合点102与离开压缩机90的第二涡旋盘94的蒸汽合并。分离器50内分离的液体制冷剂被发送到第二膨胀装置54。
在第二膨胀装置54中，液体制冷剂膨胀为如通过动作箭头80所示供应给第一热交换器器38的低压、低温液体和蒸汽制冷剂混合物。通过膨胀装置54的制冷剂的流动的调节或节流用来控制供应给第一热交换器38的制冷剂的温度。增加压力降必然地降低第一热交换器38内的制冷剂的温度。控制模块20运行为控制制冷剂的流动和穿过膨胀装置的制冷剂的必然压力下降，以确保最佳性能。根据用来通过控制模块20计算压缩机的所需功率的相同输入来改变压力下降。
在所描述的加热模式下，第一热交换器38充当蒸发器。流经蒸发器38(如通过箭头82所示)的温暖、潮湿空气将其热量传送到蒸发器内的较冷的制冷剂。在蒸发器38内，低压、低温蒸汽和液体制冷剂混合物由于从空气中除去的热量而沸腾为蒸汽。低压、低温蒸汽制冷剂离开蒸发器38，如通过动作箭头84所示，并且在压缩机90的第一涡旋盘94的第一吸入口100被接收。
热电偶81在进入压缩机90之前感测来自第一热交换器38的制冷剂出口的温度(T2)。尽管热电偶81在图7中描绘为靠近第一热交换器38，但是在供选择的实施例中热电偶、或者不同类型的温度传感器可以定位在两个装置之间的任何地方。热电偶81电连接(如通过虚线所示)到控制模块20，该控制模块20接收用于在计算压缩机90的所需功率中使用的感测到的制冷剂的温度(T2)。
同样地，传感器83在进入压缩机90之前感测来自第一热交换器38的制冷剂出口的压力(P2)。尽管传感器83在图7中描绘为邻近热电偶81，但是在供选择的实施例中传感器、或者不同类型的压力传感器可以定位在两个装置之间的任何地方。传感器83电连接(如通过虚线所示)到控制模块20，该控制模块20接收用于在计算压缩机90的所需功率中使用的感测到的制冷剂的压力(P2)。
在第二涡旋盘94中，制冷剂被压缩且在结合点102与来自分离器50的蒸汽结合。如上所述，结合的制冷剂蒸汽在第一涡旋盘92的第一吸入口100被接收，其中气体制冷剂在通过三通阀34引导之前在第一涡旋盘中再次被压缩且循环通过系统88。
总之，许多益处从如本文献中所示的车辆加热和冷却系统10和加热和冷却车辆的乘客舱的相关方法中产生。系统能够根据车辆的环境温度和其它参数来调整压缩机，以实现最佳的条件且最大化系统效率。
前述已被呈现为了说明和描述的目的。它并非旨在是穷尽的或将实施例限制为所公开的精确形式。鉴于上述教导，明显的修改和变化是可能的。例如，在所描述的实施例中通过控制模块20控制的装置可以通过车辆内的多个控制模块来控制。多个控制模块可以每个控制系统内的一个或多个装置并且通过控制器局域网络(CAN)总线彼此通信。当根据它们公平地、合法地和公正地赋予的宽度解释时，所有这些修改和变化都在所附权利要求的范围内。
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