一种轨道车辆的r744制冷剂热泵空调机组及空调系统
技术领域
1.本实用新型涉及轨道交通技术领域，尤其是一种轨道车辆的r744制冷剂热泵空调机组及空调系统。


背景技术：

2.轨道车辆空调与普通商用及民用空调存在很大的差别，轨道车辆空调是专门用于铁路客运列车的一种特殊空调系统，空调机组振动性能、高温性能、可靠性要求高，目前制冷业界所应用的hfcs制冷剂如r134a、r407c、r410a、r32等均为非自然工质，属过渡制冷剂，因温室效应指数较高将面临全面禁用。由于r717、r290自然工质制冷剂存在刺激性气味、有毒、可燃和容易爆炸等高风险因素，而车辆空调安全可靠性要求极高，故r717、r290不适用于车辆空调。
3.此外，现有的轨道车辆变频空调通常由辅助逆变器将dc1500v电源通过降压逆变成三相 380v交流电、提供空调机组内部变频器，变频器将ac380v交流电源升压滤波、作为变频电源供给空调压缩机使用，存在空调输入电源的中间转换环节多，电源整体效率较低的问题。并且轨道车辆空调安装在车顶，空调机组的冷凝效果与列车运行的速度有关，运行速度越高，车外负压增大、目前冷凝风机为不可调速型导致冷凝风量下降、冷凝效果衰减。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题之一，本实用新型的目的在于：提供一种采用天然工质r744(co2) 制冷剂的轨道车辆的热泵空调机组以及对应的空调系统。
5.本实用新型所采取的技术方案是：
6.第一方面，本实用新型方案提供了一种轨道车辆的r744制冷剂热泵空调机组，包括电源模块、处理器模块、辅助逆变器模块和变频压缩机；
7.所述变频压缩机的制冷剂为r744制冷剂，所述变频压缩机用于根据所述处理模块的指令切换至制冷循环回路和制热循环回路；
8.所述电源模块的输出端连接至所述辅助逆变器模块的输入端，所述辅助逆变器模块的输出端连接至所述变频压缩机的输入端，所述变频压缩机的输入端还连接至所述处理器模块的输出端。
9.在一些可选的实施例中，所述热泵空调机组还包括室外冷凝风机，所述室外冷凝风机用于增大风量加速换热。
10.在一些可选的实施例中，所述制冷循环回路还包括室外换热器、中间换热器、室内换热器、气液分离器以及干燥过滤器；
11.所述变频压缩机的输出端连接至所述室外换热器的输入端，所述室外换热器的输出端连接至所述中间换热器的输入端，所述中间换热器的输出端连接至所述室内换热器的输入端，所述室内换热器的输出端连接至气液分离器的输入端，所述气液分离器的输出端连接至所述中间换热器的输入端，所述中间换热器的输出端还连接至所述干燥过滤器的输
入端，所述干燥过滤器的输出端连接至所述变频压缩机的输入端。
12.在一些可选的实施例中，所述制热循环回路包括所述室外换热器、所述中间换热器、所述室内换热器、所述气液分离器以及所述干燥过滤器；
13.所述变频压缩机的输出端连接至所述室内换热器的输入端，所述室内换热器的输出端连接至所述中间换热器的输入端，所述中间换热器的输出端连接至所述室外换热器的输入端，所述室外换热器的输出端连接至气液分离器的输入端，所述气液分离器的输出端连接至所述中间换热器的输入端，所述中间换热器的输出端还连接至所述干燥过滤器的输入端，所述干燥过滤器的输出端连接至所述变频压缩机的输入端。
14.在一些可选的实施例中，所述室内换热器包括上层室内换热器和下层室内换热器。
15.在一些可选的实施例中，所述热泵空调机组还包括电子膨胀阀，所述电子膨胀阀用于调节所述上层室内换热器和所述下层室内换热器的制冷剂流量。
16.在一些可选的实施例中，所述热泵空调机组还包括室内送风机，所述室内送风机用于根据控制指令调节送风风量。
17.第二方面，本实用新型提供一种轨道车辆的r744制冷剂热泵空调系统，该热泵空调系统包括第一方面中任一项所述的一种轨道车辆的r744制冷剂热泵空调机组。
18.本实用新型的有益效果是：本技术技术方案采用r744(co2)制冷剂替代传统的hfcs制冷剂，能够满足轨道空调的环保需求，同时采用了变频热泵技术，该热泵空调机组的制冷量、制热量能够满足设计需求。低温环境-20℃时制热能效比1.6，在低温环境-30℃时能够正常工作。此外，本技术的技术方案还采用直供电辅助逆变器，提升了电源效率，节省了空调成本并实现空调减重。
附图说明
19.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1为本实用新型实施例提供的一种轨道车辆的r744制冷剂热泵空调机组的模块结构示意图；
21.图2为现有轨道车辆空调供电方式的示意图；
22.图3为本实用新型直供电变频热泵空调的供电方式的示意图；
23.图4为本实用新型中制冷或制热的原理图；
24.图5为本实用新型轨道车辆的热泵空调系统的结构示意图。
具体实施方式
25.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
26.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
27.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
28.2016年，所有联合国成员通过了kigali协议，将逐渐停止hfc制冷剂的生产与应用。由于hfcs制冷剂在未来的逐步禁用，轨道车辆空调需要研究适合的替代环保制冷剂，而 r744(co2)为不可燃、无刺激性、非爆炸性气体非常适合运用于车辆空调。
29.此外，采用直供电变频热泵技术，空调机组能耗与普通的单冷电热机组相比，可节能 45％左右。直供电r744(co2)的热泵性能优越、具有很高的能效比，研究和开发采用 r744(co2)制冷剂直供电变频热泵空调机组，推动在高端环保轨道车辆空调市场处于领先地位并在自热工质制冷剂轨道空调技术开发运用处于技术前沿。
30.第一方面，如图1所示，本实用新型所提供的一种轨道车辆的r744制冷剂热泵空调机组，该机组包括了电源模块、处理器模块、辅助逆变器模块和变频压缩机；
31.其中，电源模块的输出端连接至辅助逆变器模块的输入端，辅助逆变器模块的输出端连接至变频压缩机的输入端，变频压缩机的输入端还连接至处理器模块的输出端。
32.具体地，电源模块主要用于为整个热泵空调机组提供电源。辅助逆变器模块用于将电源模块的电源进行降压、逆变以及整流等处理再输出至后续的变频压缩机。实施例中的处理器模块主要用于根据环境中的新风温度自动计算出目标温度，目标温度与客室温度进行比较，进而控制空调机组进入通风模式或制冷(热)模式；此外，处理器模块会根据环境中的新风温度和数据库中压缩机在不同环境温度的最佳排气压力与当前压缩机排气压力进行拟合，通过调节室外风机转速，将压缩机排气压力调整至最佳排气压力附件，这样制冷系统始终运行在最佳状态，提高了空调机组综合能效比。实施例中的变频压缩机用于根据处理模块的指令切换至制冷循环回路和制热循环回路，对车厢内环境温度的调节。
33.如图2所示，为传统的轨道车辆变频空调供电方式，通常由辅助逆变器将dc1500v电源通过降压再逆变整流成三相380v交流电提供空调机组内部变频器，变频器将ac380v交流电源逆变成直流再升压逆变成交流、作为变频电源供给空调压缩机使用，存在空调输入电源的中间转换环节多，电源整体效率较低的问题，通常总效率η＝0.98
×
0.95
×
0.98
×
0.93＝0.85。
34.如图3所示，本实施例是通过采用辅助逆变器直接为轨道车辆空调供电的方式，一方面减少电源中间转换环节多、提升电源总效率，总效率η＝0.96
×
0.94＝0.90，电源效率可以提升 5.5％左右；另一方面节省了空调机组内部的变频器，减轻热泵空调重量并节省成本。
35.在一些可行的实施例中，该热泵空调机组还包括室外冷凝风机，该室外冷凝风机直接连接至电源模块，用于增大风量加速换热。
36.具体地，实施例为了保证在列车高速运行条件下且环境温度45℃时，r744(co2)热泵空调的制冷性能达到90％以上，空调室外冷凝风机采用了ec风机，通过调高ec风机转速达到增大风量提升换热效果，同时根据环境温度调节电子膨胀阀的开度，将电子膨胀阀进口处制冷剂压力控制在r744(co2)最佳压力值范围附近，这样可使r744(co2)制冷剂换热性能处于最佳状态，从而保证了热泵空调在环境温度45℃时制冷量可达90％以上。
37.在一些可行的实施例中，热泵空调机组中的制冷循环回路还包括室外换热器、中间换热器、室内换热器、气液分离器以及干燥过滤器；
38.其中，变频压缩机的输出端连接至室外换热器的输入端，室外换热器的输出端连接至中间换热器的输入端，中间换热器的输出端连接至室内换热器的输入端，室内换热器的输出端连接至气液分离器的输入端，气液分离器的输出端连接至中间换热器的输入端，中间换热器的输出端还连接至干燥过滤器的输入端，干燥过滤器的输出端连接至变频压缩机的输入端。
39.如图4所示，具体在实施例的热泵空调机组中，压缩机1排气口通过连接铜管与避震管 2-1进气相连，避震管2-1的出气口通过连接铜管与三通球阀进气口相连，三通球阀的出口与室外换热器3的管口相连，室外换热器3的另一管口通过连接铜管与单向阀6-1的进口相连，单向阀6-1的出口通过连接铜管与中间换热器11高压侧管口相连，中间换热器11的另一高压侧管口通过连接铜管与两个制冷电子膨胀阀13-1和13-2进口相连，制冷电子膨胀阀13-1 的出口与室内换热器7的管口相连，制冷电子膨胀阀13-2的出口与室内换热器8的管口相连，室内换热器7的另一管口和室内换热器8的另一管口通过连接铜管与电动球阀12-2的进口相连，电动球阀12-2的出口通过连接铜管与气液分离器9的进口相连，气液分离器9的出口通过连接铜管与中间换热器11低压侧进口相连，中间换热器11低压侧出口通过连接铜管与干燥过滤器10的进口相连，干燥过滤器10的出口与避振管2-2进气相连，避振管2-2的出气口通过连接铜管与压缩机1的吸气口相连，形成一个制冷循环回路。
40.本实用新型热泵空调机组采用的变频压缩机，可通过降低压缩机运行频率，降低制冷系统中的r744(co2)制冷剂流量；通过调高室外ec风机转速达到增大风量提升换热效果，并根据环境温度调节电子膨胀阀的开度，将电子膨胀阀进口处制冷剂压力控制在r744(co2) 制冷剂最佳压力值范围附近，从而保证热泵空调在环境温度50℃时也可正常制冷运行。
41.在一些可行的实施例中，热泵空调机组中的制热循环回路同样包括室外换热器、中间换热器、室内换热器、气液分离器以及干燥过滤器；
42.其中，变频压缩机的输出端连接至室内换热器的输入端，室内换热器的输出端连接至中间换热器的输入端，中间换热器的输出端连接至室外换热器的输入端，室外换热器的输出端连接至气液分离器的输入端，气液分离器的输出端连接至中间换热器的输入端，中间换热器的输出端还连接至干燥过滤器的输入端，干燥过滤器的输出端连接至变频压缩机的输入端。
43.同样如图4所示，具体在实施例的热泵空调机组中，压缩机1排气口通过连接铜管与避震管进气相连，避震管的出气口通过连接铜管与三通球阀进气口相连，三通球阀的出
口与室内换热器7的第二管口和室内换热器8的第二管口相连，室内换热器7的第二管口与单向阀 6-2的进口相连，室内换热器8的第二管口与单向阀6-3的进口相连，单向阀6-2和6-3单向阀的出口通过连接铜管与中间换热器11高压侧第二管口相连，中间换热器11高压侧管口通过连接铜管与电子膨胀阀5进口相连，电子膨胀阀5的出口与室外换热器3的第二管口相连，室外换热器3的管口通过连接铜管与电动球阀12-2的进口相连，电动球阀12-1的出口通过连接铜管与气液分离器9的进口相连，气液分离器9的出口通过连接铜管与中间换热器11低压侧进口相连，中间换热器11低压侧出口通过连接铜管与干燥过滤器10的进口相连干燥过滤器10的出口与避振管2-2进气相连，避振管2-2的出气口通过连接铜管与压缩机1的吸气口相连，形成一个制热循环回路。
44.实施例中室内换热器根据r744(co2)制冷换热特性对换热流向进行了改进，保证室内换热器在制热时换热性能最好，同时并根据不同环境温度测试制热性能，通过测试数据得到各种工况下最佳工作压力。将测试数据在软件中建立一个包含制热环境温度、回风温度、电子膨胀阀进口压力、气冷器出口温度和电子膨胀阀开度运行数据库，运行过程中根据数库寻找到当前环境下系统最佳工作点。系统中配置了大容量气液分离器，可以充注大量制冷剂，保证在低温环境下系统中制冷剂流量同时可以防止吸气压力波动，这样保证r744(co2)热泵空调机组低温环境-20℃时，制热能效比大于1.5。
45.在一些可行的实施例中，热泵空调机组中的室内换热器可以包括上层室内换热器和下层室内换热器。
46.具体地，本技术实施例的热泵空调机组采用1拖2制冷方式，即一台压缩机匹配2台室内换热器，同时为列车上、下层客室同时提供空气调节。在列车的运行中、由于太阳照射及乘客数量不同，上、下层客室的制冷需求不一样，需要对同一台压缩机的2台室内换热器进行独立调节，才能保证上、下层客室的温度均匀性。
47.在一些可行的实施例中，上述实施例中的电子膨胀阀，可以协同上层室内换热器和下层室内换热器调节制冷剂流量。
48.具体地，在实施例中，热泵空调机组采用了变制冷量控制方式，控制系统对上、下层客室温度进行监控及调节。当检测到上、下层客室温差比较大时，对上、下层制冷量通过电子膨胀阀开度进行调节，即增大高的客室温度对应的室内换热器制冷剂流量。
49.在一些可行的实施例中，热泵空调机组还包括室内送风机，该室内送风机用于根据控制指令调节送风风量。
50.具体地，在实施例中，热泵空调通过设置无级调速的ec型室内送风机，根据上、下层客室制冷需求自动调节送风风量。当检测到上、下层客室温差比较大时，对上、下层制冷量通过电子膨胀阀开度进行调节，即增大高的客室温度对应的室内换热器制冷剂流量并同时调整ec风机转速增大送风量；减少低的客室温度对应的室内换热器制冷剂流量并同时减少送风量，这样通过调节上、下层客室对应制冷量，实现空调系统能量调节并保证上、下层客室温度均匀性和舒适性。
51.本实施例热泵空调机组的工作原理如下：
52.空调机组的处理器模块根据新风温度自动计算出目标温度td，目标温度与客室温度进行比较，空调进入通风模式或制冷(热)模式。当进入制冷模式后，空调控制器会根据上层客室温度(tr1)、上层客室送风温度(ts1)、下层客室温度(tr2)、下层客室送风温度
(ts2)、进行拟合计算，输出上下层送风风机速度、上下层电子膨胀阀开度，及压缩机运行频率，将车厢上下层客室温度控制在目标温度
±
1℃范围内，同时也将上下客室温度差控制在1℃以内，保证了客室温度的舒适性。
53.并且，处理器模块会根据新风温度，和数据库中压缩机在不同环境温度的最佳排气压力与当前压缩机排气压力进行拟合，通过调节室外风机转速，将压缩机排气压力调整至最佳排气压力附件，这样制冷系统始终运行在最佳状态，提高了空调机组综合能效比。
54.除此之外，轨道车辆空调现用r134a、r407c、r410a制冷剂系统运行最高压力40bar，空调管路系统采用常用铜管即可满足强度要求。r744(co2)制冷剂系统运行最高压力140bar，是普通制冷剂的3倍以上。现用铜管在轨道车辆r744(co2)空调高压环境下、不能有效满足轨道车辆的振动环境使用，需要强度更高的管路材料。
55.r744(co2)制冷剂热泵系统运行最高压力140bar，是普通制冷剂的3倍以上。目前轨道车辆空调系统管路常用的软态紫铜管t2的抗拉强度为≧205mpa，应用于r744(co2)热泵系统需要采用加厚的壁厚规格，强度相对较差。为了适应r744(co2)制冷剂热泵系统的排气高压压力，本实施例的热泵空调机组采用了k65(cufe2p)含铁合金铜管，其成分以铜为主，其它合金包括fe(2.4％)、zn(0.12％)、p(0.03％)等，应用于r744(co2)热泵系统的 k65含铁合金铜管的抗拉强度为300～340mpa，明显大于目前轨道车辆空调系统所用的软态紫铜管t2。
56.实施例中管径厚度计算方式为：δ＝p
×
k1
×
d0/(2ση+2yp)+а，其中，δ代表管壁厚度； p代表预设的工作压力，即预设的工作压力系数；d0代表管外径；σ代表管材许用应力；η代表许用应力系数；y代表温度修正系数；а代表腐蚀量；k1代表壁厚设计系数。
57.本实施例再计算爆破压力值p：p＝2
×
σ
×
t/(d-0.8t)，其中，t代表最小壁厚，d代表管外径；σ代表材料抗拉强度。本实施例能够保证系统管路和制冷部件管材壁厚满足工作压力3 倍要求，并保证制冷系统管路和制冷部件的水压爆破压力满足3倍工作压力的设计要求，而常规管道设计水压爆破强度为2.5～3倍。
58.第二方面，本实用新型还提供了一种轨道车辆的r744制冷剂热泵空调系统，其包括第一方面中的任一种轨道车辆的r744制冷剂热泵空调机组；如图5所示，其包括压缩机501、干燥过滤器502、室外换热器503、电子膨胀阀504、单向阀505、电动球阀506、中间换热器507、安全阀508、三通阀509、避震管510、控制器511、室内ec风机512、室内换热器 513、电加热模组514、上层制冷送风口515、上层制热送风口516、下层制冷送风口517、上层制热送风口518、气液分离器519和室外ec风机520。
59.本实施例的r744(co2)直供电变频热泵空调系统，以时速200公里城际车辆为搭载平台，热泵空调机组的制冷量、制热量满足设计要求，低温环境-20℃时制热能效比1.6，在低温环境-30℃时能够正常工作。并且实施例采用了k65含铁合金铜管，r744(co2)热泵空调机组的管路耐压强度性能及系统密封性完全满足要求。通过采用直供电辅助逆变器、提升了电源效率，节省了空调成本并实现空调减重。
60.综上所述，本实用新型与现有技术相比，具有以下的特点或优点：
61.1、本实用新型的热泵空调机组的制冷量、制热量满足设计要求，低温环境-20℃时制热能效比1.6，在低温环境-30℃时能够正常工作；
62.2、本实用新型采用k65含铁合金铜管，r744(co2)热泵空调机组的管路耐压强度性
能及系统密封性完全满足要求；
63.3、本实用新型通过采用直供电辅助逆变器、提升了电源效率，节省了空调成本并实现空调减重。
64.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“另一实施方式”或“某些实施方式”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
65.尽管已经示出和描述了本实用新型的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。