[发明专利]用于热泵蒸发器的防结冰控制设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于车辆空调机中热泵蒸发器的防结冰控制设备和方法。

背景技术

本发明归属于用环境空气作热源的热泵的领域。许多研究所、车辆制造商和配件供应厂，研究使用以环境空气作为乘客车厢供暖源的热泵。在热泵以环境空气为热源运行时，当致冷剂温度尤其在0℃或低于0℃时，存在热泵蒸发器空气侧结冰的危险。

蒸发器结冰是一种物理过程，它主要受下列因素的影响：

-蒸发器表面温度；

-流过蒸发器空气的露点；以及

-通过蒸发器导引的空气的流速。

在湿空气冷却时，或空气中水分凝出，在温度低于0℃时它形成冰晶，冰晶聚结成冰层。空气中水分也可能凝结并形成冰霜层。当蒸发器在这些条件下继续运行时，冰/冰霜层增长以及蒸发器的空气流动截面减小。与此同时，在空气与蒸发器表面之间的传热阻力增大。在风扇功率相同的情况下，由于高的压力损失，其结果是导致降低通过蒸发器导引的空气的流动速度，这有利于冰霜的形成。蒸发器最终结满冰霜或冰。当蒸发器被冻结时系统不再能继续运行：抽吸压力越来越小。由此带来另一个缺点是，必须附加消耗热能使蒸发器解冻。

按现有技术为避免结冰采取的措施是，当环境空气温度在0℃以下时热泵不运行，在混合式设计的Toyota Prius plug中甚至低于+5℃时热泵便已经不运行。为了热泵蒸发器解冻，转换制冷循环并按空调机模式运行(AC运行)，此时热泵蒸发器承担冷凝器的功能并流过热的致冷剂。此时沉积在热泵蒸发器外侧的冰融化，以及作为冷凝器工作的结冰的热泵蒸发器主动解冻。本方案的缺点在于，在主动化冻的阶段中，不仅热泵的功能不能提供使用，而且除此之外车厢内的送风也在空调机内经由蒸发器附加地冷却。由此进一步增强供暖功率的缺失。这种缺点只能通过增加制冷循环线路的复杂性减轻。

另一个缺点在于，在发动机散热器前的AC(空调)冷凝器结冰的状态下，只能不充分地保证空气流，并因而不能保证发动机充分冷却。

在出版物WO2009/094691A1中介绍了一种供暖回路在低的环境空气温度下热泵的运行方法，在那里所说明的热泵包括蒸发器、压缩器、冷凝器、处于冷凝器出口与蒸发器进口之间的膨胀阀。蒸发器、压缩器、冷凝器、膨胀阀和再与蒸发器通过管道互相连接。在蒸发器内致冷剂液体从环境空气吸收热量并蒸发。压缩器耗费机械能压缩致冷剂蒸汽并由此提高压力和温度。在冷凝器内致冷剂冷凝以及加热供暖回路的介质。

在膨胀阀中，致冷剂液体的压力和温度通过打开阀而下降。接着致冷剂液体重新流入蒸发器内。在那里冷却流过蒸发器的空气以及两相的致冷剂蒸发。

为蒸发器配设一个风扇，它与控制装置连接，控制装置本身与压缩器和温度传感器在信号技术上连接。所述热泵有可规则地或可短暂地被控制装置中断的致冷剂流通过蒸发器。在正常运行时，风扇经由蒸发器一侧抽吸环境空气，由此使环境空气在蒸发器表面上导引，并通过从环境空气吸收热量产生致冷剂蒸汽。在蒸发器结冰的情况下，此时温度传感器指示在结冰区内的温度很低，通过控制装置停止致冷剂流入压缩器内。在这之后通过控制装置改变蒸发器的方向，使进入的空气从一侧出发朝向所述的蒸发器表面，从而使热空气在该蒸发器表面上导引并给蒸发器除冰。

有一个缺点是，在结冰时必须中断致冷剂流，以及为了融化需要耗费更多电能。此外在电动车辆中不存在热空气。在融化阶段中热泵不提供使用。因此必须设计一种冗余的供暖系统。

在出版物US2006/0288716A中介绍了一种方法和装置，用于控制空调机内的致冷剂压力，其中装置由压缩器、冷凝器和蒸发器组成，它们布置在闭式致冷剂回路内。冷凝器至少分成两个阀控制的单元。在有结冰危险时关闭冷凝器的至少一个单元。借助附加的阀舒缓蒸发器内的高压，从而升高蒸发器内的压力水平以及减小结冰的危险。