带喷雾蒸发冷却式气冷器的电动汽车二氧化碳空调系统

1.本发明涉及的是一种汽车空调领域的技术，具体是一种带喷雾蒸发冷却式气冷器的电动汽车二氧化碳空调系统。


背景技术：

2.电动汽车采用电池作为动力来源，没有尾气污染，绿色环保，其应用越来越广泛。也正是由于电动汽车没有内燃机，乘员舱的加热不能利用发动机的余热作为热源，如果采用电加热器直接加热乘员舱，会导致电池的续航里程大幅度衰减。二氧化碳作为自然制冷剂，因其良好的制热性能在电动汽车热泵领域的应用越来越广泛。然而由于二氧化碳系统在制冷工况下需按跨临界循环运行，导致系统存在制冷性能不佳，甚至在高温工况下制冷性能严重衰减的问题。


技术实现要素：

3.本发明针对现有二氧化碳空调系统制冷效果不佳的问题，尤其是高温工况下的制冷性能衰减的问题，提出一种带喷雾蒸发冷却式气冷器的电动汽车二氧化碳空调系统，利用从内部蒸发器回收的冷凝水作为水源，对外部气冷器表面进行喷雾蒸发冷却，降低外部气冷器的二氧化碳出口端温度，从而降低跨临界循环的高压侧运行压力，减少压缩机耗功，提升制冷量和系统能效，同时实现冷凝水的高效回收利用，避免冷凝水直接对外排放带来的细菌滋生等一系列问题。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：
5.本发明涉及一种带喷雾蒸发冷却式气冷器的电动汽车二氧化碳空调系统，包括：压缩机、带有轴流风机的外部气冷器、中间换热器、电子膨胀阀、带有离心风机的内部蒸发器、储液器和回收冷凝水喷雾装置，其中：压缩机、外部气冷器、中间换热器、电子膨胀阀、内部蒸发器和储液器依次相连构成二氧化碳循环流路，回收冷凝水喷雾装置采集内部蒸发器的冷凝水并向外部气冷器喷射水雾。
6.所述的外部气冷器和内部蒸发器均为车用微通道换热器，其中外部气冷器的微通道扁管按竖直方向放置。
7.所述的回收冷凝水喷雾装置包括：设置于内部蒸发器的冷凝水回收水箱、储水腔、水泵和设置于外部气冷器的喷嘴，其中：内部蒸发器的进口和出口分别与电子膨胀阀和储液器相连，内部蒸发器表面产生的冷凝水滴入回收水箱中，储水腔的一端连接水泵，另一端连接冷凝水回收水箱，水泵的一端连接储水腔，另一端连接喷嘴，喷嘴放置于外部气冷器的进风侧，水喷洒的方向与进风方向一致并以内部蒸发器产生的冷凝水作为外部气冷器喷雾蒸发冷却的水源。
8.所述的喷嘴的放置位置靠近外部气冷器的二氧化碳出口端，喷雾喷洒于外部气冷器表面温度较低的区域。技术效果
9.本发明整体解决了现有电动汽车二氧化碳空调系统制冷效果不佳的问题，尤其对系统在高温工况下的制冷性能衰减的问题有明显的改善效果，通过一套内部蒸发器冷凝水回收装置和置于外部气冷器前的水喷雾装置利用回收的冷凝水作为水源向外部气冷器表面喷洒水雾，可实现电动汽车二氧化碳空调系统在制冷工况下的性能提升。该水装置结构简单，布置合理，水的来源为内部蒸发器产生的冷凝水，可以实现冷凝水的高效回收利用，避免冷凝水直接对车外排放带来的细菌滋生等一系列问题。同时本发明提出的外部气冷器扁管竖直放置的方案以及喷嘴置于靠近外部气冷器二氧化碳出口端位置的方案可保证该系统在同等条件下较大的性能提升幅度。
附图说明
10.图1为本发明总体结构示意图；
11.图2为本发明无喷雾蒸发冷却模式结构示意图；
12.图3为本发明带喷雾蒸发冷却模式结构示意图；
13.图4为本发明系统压焓图；
14.图中：1压缩机、2外部气冷器、3轴流风机、4储水腔、5水泵、6喷嘴、7中间换热器、8电子膨胀阀、9离心风机、10内部蒸发器、11冷凝水回收水箱、12储液器。
具体实施方式
15.如图1所示，为本实施例涉及的一种带喷雾蒸发冷却式气冷器的电动汽车二氧化碳空调系统，包括：压缩机1、带有轴流风机3的外部气冷器2、中间换热器7、带有离心风机9的内部蒸发器10、储液器12和回收水喷雾装置，其中：压缩机1、外部气冷器2、中间换热器7、内部蒸发器10和储液器12依次相连构成二氧化碳循环流路，回收冷凝水喷雾装置采集内部蒸发器10表面的冷凝水并向外部气冷器2喷射水雾。
16.所述的外部气冷器2和内部蒸发器10均为车用微通道换热器，其中外部气冷器2的微通道扁管按竖直方向放置，如图1所示。
17.所述的回收水喷雾装置包括设置于内部蒸发器10的冷凝水回收水箱11、储水腔4、水泵5和设置于外部气冷器2的喷嘴6。
18.具体地，所述的喷嘴设置于外部气冷器的迎风侧，喷嘴的放置位置靠近外部气冷器的二氧化碳出口2b端，如图1所示。
19.所述的冷凝水回收水箱采集内部蒸发器表面产生的冷凝水。
20.所述的压缩机1的两端分别与中间换热器7和外部气冷器2连接。
21.所述的中间换热器7包括：高压侧的进口端和出口端，低压侧的进口端和出口端，其中：低压侧出口端与压缩机进气端连接，高压侧进口端与外部气冷器的出口端相连。
22.所述的中间换热器7和内部蒸发器10之间设有电子膨胀阀8，电子膨胀阀的进口端与中间换热器的高压侧出口端相连。
23.所述的储液器出口端与中间换热器的低压侧进口端相连。
24.当环境温度低于30℃时，系统的制冷性能不佳的问题尚不突出，系统可按常规的无喷雾蒸发冷却模式运行，如图2所示，此时水泵关闭。从压缩机1a端流出的高温高压的超临界二氧化碳流入外部气冷器2，与外部环境的空气进行换热，被空气冷却后，从外部气冷
器2b中流出，然后经中间换热器7的高压侧进口端进入中间换热器7，再次被从储液器12流出的低温低压二氧化碳冷却，然后经过电子膨胀阀8的节流作用后，进入内部蒸发器10。节流后的低温低压二氧化碳与内部环境的空气进行换热以吸收空气的的热量，降低空气温度，提供冷量。当低温低压二氧化碳的温度低于内部环境空气的露点温度时，空气中的水蒸气从空气中冷凝出来。冷凝水附着于内部蒸发器10表面，由于重力作用向下方流动，最终流入下方的冷凝水回收水箱11中储存起来以待在其他工况中使用。吸收内部环境空气的热量后从内部蒸发器10流出的饱和低温低压二氧化碳经过储液器12流经中间换热器7与从外部气冷器2b中流出的超临界二氧化碳进行换热，温度升高后流入压缩机1b端，经过压缩机1的压缩开始下一循环过程。
25.当环境温度高于30℃时，系统若按无喷雾蒸发冷却模式运行，以图4中的c-d-e-f-a-b-c的循环(环境温度为40℃)为例，外部气冷器2b的出口二氧化碳温度将会受到环境温度的限制，即该出口二氧化碳温度永远不可能低于环境温度，由此造成跨临界循环的高压压力高、压缩机耗功大以及制冷量低的问题。此时系统需要按喷雾蒸发冷却模式运行，如图3所示，此时水泵开启。空调系统的二氧化碳流动模式与图2中的过程一致，冷凝水在内部蒸发器10表面不断产生，并回收至下方的水箱11中，由于水泵5的作用，冷凝水从水箱11中流出，经过储水腔4和水泵5，到达喷嘴6。喷嘴6放置于外部气冷器2的迎风侧，水经喷嘴顺着外部环境空气流动方向往外部气冷器2表面喷洒。部分细小的水雾到达外部气冷器2表面后，在空气的扰动下迅速蒸发，吸收周围的热量后，形成水蒸气进入空气，并随着空气的流动流向外部环境。由于外部气冷器2的扁管竖直放置，其余无法及时蒸发的水雾在重力作用下会沿着扁管表面，通过百叶窗翅片的空隙流向下方的翅片表面和扁管表面，增加润湿面积，增强蒸发冷却效率。由于喷雾润湿的位置靠近二氧化碳出口2b端，扁管和翅片表面温度相对于进口端较低，水雾蒸发的速率相对较慢，造成水在表面的滞留量增大，从而造成水润湿面积的增大，有效蒸发效率增加，更有利于降低二氧化碳出口温度。由于水蒸发时所需的汽化潜热量较大，带走的热量较多，因此与无喷雾蒸发冷却模式相比，该模式下外部气冷器2b出口的二氧化碳能够被冷却到更低的温度，甚至低于环境温度，如图4所示的压焓图，二氧化碳制冷剂按i-j-k-l-g-h-i的循环运行，循环的高压压力降低，运行能效更高。
26.试验证明，在外部40℃/内部27℃的环境下，当水流量和喷水温度分别为0.15l/min和28℃时，与无喷雾蒸发冷却模式相比，该模式能够将外部气冷器2的出口二氧化碳温度从44℃降低到36℃，高压压力从10.9mpa降低到9.4mpa，从而降低15％的压缩机耗功，提升8.7％的制冷量，提升27.9％的能效。在同样的运行工况下，若将喷嘴置于靠近外部气冷器二氧化碳进口端的位置，则带喷雾蒸发冷却模式仅能将外部气冷器2b的出口二氧化碳温度从44℃降低到40.8℃，高压压力从10.9mpa降低到10.2mpa，压缩机耗功仅降低7.5％，制冷量仅提升4.6％，制冷能效仅提升13.1％。
27.与现有技术相比，本发明通过置于外部气冷器前的水喷雾装置的加入以及其与冷凝水回收水箱的连接，不仅可以实现电动汽车二氧化碳空调系统在运行时具有较高制冷能效，而且可以实现冷凝水的高效回收利用以及避免冷凝水向车外排放带来的问题的同时，外部气冷器扁管竖直放置的方案与喷嘴放置于靠近外部气冷器二氧化碳出口端的方案能够保证喷雾蒸发式冷却的高效率运行，保证在同等条件下系统制冷性能的较大的提升效果。
28.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。