时速350公里以上轨道车辆用CO2制冷剂空调机组的制作方法

本实用新型涉及空调系统技术领域，尤其是时速350公里以上轨道车辆用co2制冷剂空调机组。

背景技术：

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。

目前制冷业界所应用的hcfcs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。而目前国内外普通高速大铁路空调机组主要采用r134a、r407c过渡型环保之制冷剂。

另外，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，根据车辆空调安全可靠性要求极高，故r717、r290不适用于车辆空调。

由于cfc及hcfcs制冷剂在未来的逐步禁用，环保节能技术开发将成为决定未来轨道车辆空调发展的主要方向。在hcfcs制冷剂全面禁用时，最接近列车空调实用的自然工质制冷剂包括空气和二氧化碳。以空气作为制冷剂的空调曾经应用于德国ice列车上，但由于需要采用飞机空调一样的透平机，结构复杂、成本高，而且能效比很低，因此，一直无法推广应用到其它轨道车辆上。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型的目的在于：提供一种能效比高且成本低的时速350公里以上轨道车辆用co2制冷剂空调机组。

本实用新型所采取的技术方案是：

时速350公里以上轨道车辆用co2制冷剂空调机组，包括控制系统、蒸发器、气液分离器、回热器、压缩机、气体冷却器、节流装置、和二氧化碳浓度检测仪，所述蒸发器的输出端连接气液分离器的输入端，所述气液分离器输出端连接回热器的第二输入端，所述回热器的第二输出端连接压缩机的输入端，所述压缩机的输出端连接气体冷却器的输入端，所述气体冷却器的输出端连接回热器的第一输入端，所述回热器的第一输出端连接节流装置的输入端，所述节流装置的输出端连接蒸发器的输入端，所述二氧化碳浓度检测仪的输出端连接控制系统的输入端，所述控制系统的输出端连接节流装置的输入端。

进一步，还包括高压开关、低压开关和高压压力传感器，所述高压开关的输入端、低压开关的输入端和高压压力传感器的输入端均连接控制系统的输出端。

进一步，还包括加热器，所述加热器设于压缩机的曲轴箱上，所述加热器的输入端连接控制系统的输出端。

进一步，还包括安全阀，所述安全阀的输入端连接压缩机的输出端。

进一步，还包括干燥过滤器，所述干燥过滤器的输出端连接节流装置的输入端，所述干燥过滤器的输入端连接回热器的输出端。

进一步，还包括室内风机和室外风机，所述室内风机的输出端连接蒸发器的输入端，所述室外风机的输出端连接气体冷却器的输入端，所述室内风机的输入端和室外风机的输入端均连接控制系统的输出端。

进一步，所述气体冷却器采用交叉s型流向结构。

本实用新型的有益效果是：本实用新型实现了通过二氧化碳进行制冷的空调机组控制系统，相较于基于空气压缩的制冷系统，本实用新型提高了能效比且降低了成本；另外，本实用新型还增设了二氧化碳浓度检测仪，能够实时检测空调机组内的二氧化碳浓度值，提高了系统的安全性。

附图说明

图1为本实用新型的co2制冷剂空调机组整体结构框图；

图2为本实用新型实施例的co2制冷剂空调机组制冷原理示意图；

图3为本实用新型的中高速轨道车辆用co2制冷剂空调机组的外观图；

图4为本实用新型的中高速轨道车辆用co2制冷剂空调机组的部件布置图。

具体实施方式

本实用新型实施例提供了时速350公里以上轨道车辆用co2制冷剂空调机组，包括控制系统、蒸发器、气液分离器、回热器、压缩机、气体冷却器、节流装置、和二氧化碳浓度检测仪，所述蒸发器的输出端连接气液分离器的输入端，所述气液分离器输出端连接回热器的第二输入端，所述回热器的第二输出端连接压缩机的输入端，所述压缩机的输出端连接气体冷却器的输入端，所述气体冷却器的输出端连接回热器的第一输入端，所述回热器的第一输出端连接节流装置的输入端，所述节流装置的输出端连接蒸发器的输入端，所述二氧化碳浓度检测仪的输出端连接控制系统的输入端，所述控制系统的输出端连接节流装置的输入端。

进一步作为优选的实施方式，还包括高压开关、低压开关和高压压力传感器，所述高压开关的输入端、低压开关的输入端和高压压力传感器的输入端均连接控制系统的输出端。

进一步作为优选的实施方式，还包括加热器，所述加热器设于压缩机的曲轴箱上，所述加热器的输入端连接控制系统的输出端。

进一步作为优选的实施方式，还包括安全阀，所述安全阀的输入端连接压缩机的输出端。

进一步作为优选的实施方式，还包括干燥过滤器，所述干燥过滤器的输出端连接节流装置的输入端，所述干燥过滤器的输入端连接回热器的输出端。

进一步作为优选的实施方式，还包括室内风机和室外风机，所述室内风机的输出端连接蒸发器的输入端，所述室外风机的输出端连接气体冷却器的输入端，所述室内风机的输入端和室外风机的输入端均连接控制系统的输出端。

进一步作为优选的实施方式，所述气体冷却器采用交叉s型流向结构。

本实施例的co2制冷剂空调机组的外观如图3所示，本实施例的co2制冷剂空调机组的内部部件布置如图4所示，内部部件包括了回热器、轴流风机、蒸发器、离心风机组(包括离心风机1和离心风机2)、壳体、混合风过滤网以及气冷器。

具体地，参照图1和图2，本实用新型的轨道车辆的空调机组控制系统，包括控制系统、蒸发器1、压缩机8、气体冷却器11、节流装置2、二氧化碳浓度检测仪、高压开关10、低压开关7和高压压力传感器、气液分离器5、加热器、安全阀9、回热器6、干燥过滤器4、室内风机3和室外风机12。

其中，蒸发器，用于将低温低压的液态二氧化碳制冷剂转化为低压过热蒸汽，该过程具体为：低温低压的二氧化碳制冷物质在蒸发器中吸收周围环境介质或者待冷却物体的热量，进而实现液态到气态的转变。

压缩机，用于对二氧化碳制冷剂进行压缩，实现制冷剂在制冷系统的内循环，该过程具体为：蒸发器中输出的低压过热蒸汽进入二氧化碳制冷压缩机后，被压缩为高压高温的气体。

气体冷却器，用于对压缩机压缩的高压高温的二氧化碳气体进行冷却，该过程具体为：高压高温的二氧化碳气体进入气体冷却器后，与冷却介质进行热交换，放出热量，得到高压中温气体。

节流装置，用于将气体冷却器输出的高压中温气体进行节流处理，得到低压低温的湿蒸汽，所述节流装置可采用如图2所示的电子膨胀阀来实现。

二氧化碳浓度检测仪，用于实时获取空调机组内的二氧化碳浓度信号。另外，为了保证系统的密封性，本实施例的制冷系统管路采用焊接密封。当二氧化碳气体出现泄露时，本实施例的控制系统会自动停止机组运行，并关闭相应风门，防止制冷剂进入车厢，以保证制冷剂的泄露量在安全范围内。

控制系统，用于根据二氧化碳浓度检测仪的检测信号，触发相应的控制信号，并将控制信号发送至各个模块，以实现对空调机组的实时控制。本实用新型的控制系统并不涉及数据处理流程上的改进，其信号触发过程和信号发送过程均可采用现有的工控主机来实现，在此不再赘述。

高压开关，用于实时获取系统的高压信号，当系统运行压力过高时关闭压缩机运行，当压力恢复正常时开关自动复位；

低压开关，用于实时获取系统的低压信号，当系统运行压力过低时关闭压缩机运行，当压力恢复正常时开关自动复位；

高压压力传感器，用于实时获取系统的压力值，并将压力值发送至控制系统，控制系统根据压力值对空调机组的系统负荷量进行适应性调节。

气液分离器，用于对气液混合制冷剂实现分离，保证制冷剂以气态型式回到压缩机。

加热器，用于对压缩机的曲轴箱进行加热，使得润滑油和制冷剂充分分离，减少润滑油通过制冷剂进入制冷系统部件。

安全阀，用于当系统压力超出运行范围时，对压力进行释放。

回热器，用于利用蒸发器出来的低温制冷剂对气体冷却器冷却出来的制冷剂进行再冷却。

干燥过滤器，用于吸收制冷系统中水份并过滤杂质，防止杂质进入压缩机导致损坏。

室内风机，用于控制室内空气与蒸发器进行热交换，从而实现空气降温和室内空气循环。

室外风机，用于控制室外空气与气冷器进行换热，以对高压高温制冷剂进行冷却。

由于二氧化碳制冷剂在气体冷却器冷却时，气体冷却器的理想设计状态是制冷剂出口温度尽可能与环境温度相接近；二氧化碳制冷剂在气体冷却器入口温度高，比热容小，被冷却二氧化碳气体与冷却空气温差大，冷却速度很快；而在临界区域比定压热容大，温度降低很慢，根据这一特性，本实用新型改进了气体冷却器流向，在气体冷却器临界段采用了交叉s型流向设计和逆流设计，以增大临界区域段与环境空气冷却面积，并增大临界区降温速度。

另外，本实施例还根据空调机组结构调整了气体冷却器的安装角度，以保证临界区流程处于最大迎风面，不产生热流干扰。

下面详细描述本实用新型时速350公里以上轨道车辆用co2制冷剂空调机组的具体工作过程：

本实用新型首先通过蒸发器将低温低压的液态二氧化碳制冷剂转变为低压过热蒸汽；接着通过压缩机将低压的二氧化碳蒸汽压缩为高压高温的气体；然后通过气体冷却器将高压高温的二氧化碳气体与冷却介质进行热交换，放出热量，以进行定压冷却；最后通过节流装置转变为低压低温的湿蒸汽，并将低压低温的二氧化碳液体重新进入蒸发器定压吸热蒸发，使被冷却介质温度降低，进而制取冷量。如此往复循环，实现连续制冷。

另外，由于二氧化碳空调机组压缩机压力运行超高，故压缩机重量和体积比目前轨道空调机组采用全封闭涡旋压缩机重量重40％、安装尺寸也大。由于二氧化碳空调机组外形尺寸和风道接口与常规空调机组一样，其内部空间有限，且机组重量受到车辆部件重量限制，这样要从结构和部件选型上考虑减重措施，本实施例对主要室内风机、室外风机部件采用轻质铝合金作为主要材质，实现部件轻量化；空调机组客体采用高强度轻质铝型材和铝板替代不锈钢材料，通过主要部件和壳体材料的轻质化设计，保证二氧化碳空调机组重量满足车辆要求，通过优化结构和部件布局满足空调机组内部空间的需要。

再者，本实用新型的空调机组中设置了气液分离器，可有效稳定系统制冷剂流量，避免蒸发器内制冷剂出现干涸现象，导致制冷效果不良；并根据二氧化碳制冷剂特性和润滑油特性，充注合适的制冷剂量，保证制冷剂有效流量，充分带动润滑油回到压缩机；压缩机曲轴箱配备一定功率的加热器，保证润滑油和制冷剂充分分离，减少润滑油通过制冷剂进入制冷系统部件。这样通过以上措施能充分保证压缩机的润滑性，避免压缩机因缺油出现过热故障，并有效保证压缩机可长时间可靠有效运行。

再有，由于二氧化碳制冷剂空调机组的最高工作压力为140bar，正常工作压力在120bar以下。为了保证系统压力处于正常范围了，防止系统工作压力超出设计范围，系统中设有2级高压保护措施，高压压力传感器和高压开关和高压压力传感器，当系统高压压力传感器检测到高压压力超过1级高压报警设定值时，空调系统会根据高压压力传感器测定的压力值，自动调节系统负荷量，使压缩机处于相对低的工作压力范围，运行压力超出2级高压开关动作值时，空调系统会停止压缩机运行，防止系统在设计压力范围外工作。当2级高压开关失效时，高压压力传感器检测到系统压力超出工作范围时，也会停止压缩机工作，防止系统运行压力超出设计工作压力。优选地，本实用新型还增设了低压开关，能够对系统的低压故障进行实时监测。通过上述多级保护措施，能够保证本实用新型的空调机组在高压安全范围内运行。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型并不限于所述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。