技术领域  本实用新型是一种利用太阳能、废余热能、燃气热能或电热能的空调器。

背景技术  众所周知，太阳能是清洁而且用之不尽的能源，常规电力是消耗矿产资源而 产生的，不但严重污染人类生存的环境，而且还受到能源危机、价格上涨等因素的影响。所 以开发太阳能的利用是人类解决能源可持续发展的主要出路之一。太阳能空调是以太阳能作 为制冷空调的能源，太阳能制冷目前有二种方法，1、利用光-电转换以代替常规电力作制冷 能源。2、利用光-热转换用热能制冷，相比之下，第一种方法比较简单，但太阳能电池价格 高、效率低，一直不能进入实用阶段。而第二种方法中又以溴化锂吸收式制冷为主流，但是 吸收式制冷除节能环保之外，不足之处在于流程复杂、初期投资大、铜材耗量大、日常维护 量大、体积大、不易标准化和小型化。特别是经过一段时间运转后其工质的稳定性下降和系 统长时间受腐蚀后难以保持高真空度，导致其系统效率下降。

目前，空调市场上普通住宅所用窗机、分体机、柜机数量和品种相当多，而高级住宅所 用的户型中央空调市场刚开发。高级住宅所拥有的顶层天台为太阳能利用提供了有利的条件 和机遇，对于制冷量在10kw＜Q＜20kw范围内采用吸收式制冷显得不太实用。本实用新型空调 机可以为这一需求提供多一个选择。

发明内容  本实用新型目的旨在提供一种利用太阳能或者废余热能或燃气热能、电热能 加热低沸点工质，制造高压蒸气，通过径向透平作功的正卡诺循环和压缩制冷剂蒸气制冷的 逆卡诺循环的热泵式空调器。

本实用新型目的的实现方式为，一种利用热-电能运行的热泵式空调器，它包括由热水 器1、循环水泵2、热水箱3、温控器5及连接管道构成的加热回路，由贮液罐17、加压泵 7、针形阀6、换热器4、止回阀8、涡轮机9、喷射器13、电磁四通阀14、换热器19或20 及连接管道构成的透平回路，由喷射器13、电磁四通阀14、换热器19、电磁三通阀15、贮 液罐17、单向膨胀阀16、电磁三通阀18、换热器20、风机22、电磁四通阀14、压缩机12、 喷射器13及连接管道构成的制冷回路，由喷射器13、电磁四通阀14、换热器20、风机22 度 P：压力 V：比容 τ：阻塞系数。设计小流量时b2/D2不能过大，尤其是采用喷射 器引射压缩机排气可减小背压，对防止“喘振”是很有利的。

为提高蒸气的能量需要，叶轮中布置12块叶片，叶片尽量薄，采用长短叶片交替和流 道歪曲可以控制流量不太大，叶片光滑可以减少气体与道壁的摩擦阻力，为降低转速和追求 效率采用悬臂式二级压缩，第一级采用半开式后向型叶轮。为了减少高压漏气损失，第二级 采用闭式后向型叶轮。假定蒸发器排气轴向进入叶轮时没有预旋，即切向速度为零，设计工 况和实际运行时相符，由动量矩定理推导出流过叶片流道间单位工质质量的能量，即叶轮进 出口处单位工质质量的理论比焓差(无摩擦和绝热的条件下)Δhth＝V2Cv2，式中V2：叶轮的 叶尖园周速度，Cv2：气体分子离开叶轮周边时，速度C2的切向投影分速度。

第一级半开式后向型叶轮(Δhth)max＝V2 2 V2＝114m/s

V2＝πnD2/60  n＝8550r/min   D2＝260mm

齿轮箱内有一对齿轮和楔块式超越离合器。本实用新型利用楔块式超越离合器KK型单 向旋转球轴承传递力矩7.4N·M-260N·M，超越极限转速17000r/min，离合器外环与齿轮 箱10的高速齿轮轴心孔连接，内环与转轴连接，再经过滚动轴承后两端连接涡轮和压缩机 叶轮。启动时电机通过低速齿轮、高速齿轮增速带动离合器外环、内环、转轴一起转动，作 为一级动力输出。当热负荷减轻，叶轮轴转速比电动机转速快，楔块在内外环摩擦力作用下 处于解脱状态，透平蒸气作为二级动力输出。这时电机是空载可以怠速省电和避免电机被叶 轮转轴带动转速超过极限转速而损坏，当热负荷加重或透平蒸气动力降低时，内环转速下降， 当与电机转速相同时，内外环相连，电机又输出动力，自动平衡负荷变化。

本实用新型涡轮机和压缩机使用同一种制冷剂，为防止泄露和降低轴封密封标准，有利 减小轴间的摩擦功率，提高机械效率，电动机11、压缩机12、涡轮机9用钢板封闭焊接在 一起，实行全封闭。

因涡轮机排气和压缩机排气的压力、温度、流量都不相同，本实用新型在共用一个气冷 式换热器19或20时用一个喷射器13代替压力调节阀。因进入涡轮机蒸气压力≥0.3MPa， 由于流量大，经过透平之后仍大过压缩机排气压力0.18Mpa(R123 45℃冷凝压力)。本实用 新型用涡轮机排气作为喷射器的工作气流，压缩机排气为引射气流，在喷射器中两股气流进 度 P：压力 V：比容 τ：阻塞系数。设计小流量时b2/D2不能过大，尤其是采用喷射 器引射压缩机排气可减小背压，对防止“喘振”是很有利的。

为提高蒸气的能量需要，叶轮中布置12块叶片，叶片尽量薄，采用长短叶片交替和流 道歪曲可以控制流量不太大，叶片光滑可以减少气体与道壁的摩擦阻力，为降低转速和追求 效率采用悬臂式二级压缩，第一级采用半开式后向型叶轮。为了减少高压漏气损失，第二级 采用闭式后向型叶轮。假定蒸发器排气轴向进入叶轮时没有预旋，即切向速度为零，设计工 况和实际运行时相符，由动量矩定理推导出流过叶片流道间单位工质质量的能量，即叶轮进 出口处单位工质质量的理论比焓差(无摩擦和绝热的条件下)Δhth＝V2Cv2，式中V2：叶轮的 叶尖园周速度，Cv2：气体分子离开叶轮周边时，速度C2的切向投影分速度。

第一级半开式后向型叶轮(Δhth)max＝V2 2  V2＝114m/s

V2＝πnD2/60  n＝8550r/min   D2＝260mm

齿轮箱内有一对齿轮和楔块式超越离合器。本实用新型利用楔块式超越离合器KK型单 向旋转球轴承传递力矩7.4N·M-260N·M，超越极限转速17000r/min，离合器外环与齿轮 箱10的高速齿轮轴心孔连接，内环与转轴连接，再经过滚动轴承后两端连接涡轮和压缩机 叶轮。启动时电机通过低速齿轮、高速齿轮增速带动离合器外环、内环、转轴一起转动，作 为一级动力输出。当热负荷减轻，叶轮轴转速比电动机转速快，楔块在内外环摩擦力作用下 处于解脱状态，透平蒸气作为二级动力输出。这时电机是空载可以怠速省电和避免电机被叶 轮转轴带动转速超过极限转速而损坏，当热负荷加重或透平蒸气动力降低时，内环转速下降， 当与电机转速相同时，内外环相连，电机又输出动力，自动平衡负荷变化。

本实用新型涡轮机和压缩机使用同一种制冷剂，为防止泄露和降低轴封密封标准，有利 减小轴间的摩擦功率，提高机械效率，电动机11、压缩机12、涡轮机9用钢板封闭焊接在 一起，实行全封闭。

因涡轮机排气和压缩机排气的压力、温度、流量都不相同，本实用新型在共用一个气冷 式换热器19或20时用一个喷射器13代替压力调节阀。因进入涡轮机蒸气压力≥0.3MPa， 由于流量大，经过透平之后仍大过压缩机排气压力0.18Mpa(R123 45℃冷凝压力)。本实用 新型用涡轮机排气作为喷射器的工作气流，压缩机排气为引射气流，在喷射器中两股气流进 行能量交换，并减速增压，达到冷凝压力。喷咀的设计遵循流体力学的空吸原理，伯努利方 程：ρV1 2/2+P1＝ρv2 2/2+P2    连续性方程V1S1＝V2S2

V：平均流速  S：管道截面积  P：压强  ρ：密度

已知以上各项(除S2外)，计算后，S2＝48mm2

为达到产生大量高压蒸气，使工质在60℃以上热水中蒸发，必须利用加压泵加大液态 工质压力。本实用新型在换热管束的每支管的管端都焊有孔板，保证节流后工质压力达到 0.3MPa，通过一段管程后吸取管外热水的热量，就可产生60℃0.3Mpa以上的过热蒸气。管 端集气室内有一不锈钢丝网作挡液(破沫)板，防止液滴进入涡轮机，集气室与涡轮机之间 装有止回阀8，开启压力为0.3MPa，管束式换热器每支换热管等于一个独立的小蒸发器， 过热蒸气在集气室汇集成大流量蒸气，保证进入涡轮机的蒸气压力高于0.3MPa。

真空管式太阳能热水器可提供60℃-90℃热水，温度低于60℃必须辅助加温，否则蒸气 压力下降，不能开启止回阀8，温控器5控制循环水泵2，辅助电动机11停止工作。

适用于离心式压缩机工质有：P717、R123、R134a，其中比较合理的组合是：

1、R717+R717  2、R717+R123  3、R717+R134a  4、R134a+R134a  5、R123+R123(前项：涡轮机工 质，后项；压缩机工质)，

因R123分子量M大，气体常数R小，等熵指数K小，音速a低(2℃a＝128m/s)，环保标 准虽不及R134a，但不是禁用，工作压力也不高，对材料强度要求也不高，蒸发压力是负压， 压缩机全封闭可防止空气渗入，所以选择R123+R123组合。

本实用新型有益效果

1、环保节能：本实用新型，利用太阳能可使电力消耗减少，整机共耗电2KW；

2、整机成本、加工难度、材料耗量、整机体积都与目前流行的涡旋式压缩机户型空调 相差不大；

3、与普通户型空调相比，除有空调外，还可利用太阳能提供生活热水；

4、应用广泛，本实用新型除户型空调适用外，大型空调器和制冷设备均可采用，当制 冷量小于5kw时，可考虑取消辅助电动机，直接利用蒸气透平的方式。

附图说明

图1本实用新型结构示意图

图2制冷量/制热量随转速变化的示意图

图3制冷量/制热量随水温变化的示意图

图2中纵坐标为制冷量/制热量/KW，横坐标为转速/r.min-1，直线1为制冷量，直线2 为制热量。图3中纵坐标为制冷量/制热量/KW，横坐标为温度/℃，直线1为制冷量，直线 2为制热量。

具体实施方式(见图1)：

透平回路：一个立式管壳式热交换器4、一台220V 200W 1400r/min电动机、一台离心 加压泵7、一个燃气热水器1、一个热水箱3(ф800mm，H600mm)、一台220V 500W 1400r/min 带调频器电动机11、一台B10型齿轮加压泵7、不锈钢微调针型阀6、H71H-3P DN40止回阀 8、一台钢制涡轮机9。涡轮机叶轮采用径向型合金钢叶轮，出口外径110mm，16片内向弯 曲叶片。压缩机12叶轮用高强度铸造铝合金ZLSi9-15制成，第一级、第二级叶轮出口外径 均为260mm。压缩机叶轮与轴承之间装有起油和气密封作用的金属密封环，涡轮机叶轮与轴 承之间也装有金属密封环。齿轮箱10采用D＝10mm、规格80mm×360mm×290mm，用40Cr调 质钢硬度HRC54制成的渐开线斜齿轮，低速齿轮齿数52，高速齿轮齿数18，模数2。

加热时，太阳能热水器温度开关调整在60℃，接通循环水泵2，加热管束沉浸热水箱3 中，箱下部有2个接口，一个接口的入口连接针型阀6，出口连接集液室，另一个接口连接 循环水泵2入口，箱上部接热水器排水管。透平时，电动机连接加压泵7，泵进口连接贮液 罐17，出口接针型阀6，液态工质加压至2.5MPa后，经针型阀6调节进入换热器4内的下 管板与钢板(D＝5mm)间形成的集液室内，通过ф2mm D＝5mm的孔板进入换热管，换热管ф 22mm×3mm碳素无缝钢管L＝480mm，共61根两端焊在管板上，蒸发成0.3MPa 60℃以上的过 热蒸气进入换热器4内的上管板与钢板(D＝5mm)间形成的集气室内，顶开止回阀8的阀芯， 进入涡轮机9，推动涡轮转动后排出，进入喷射器13的工作流入口。汇集压缩机12所排出 的气体后进入换热器19或20。

制热或制冷工况时，采用一个高压贮液罐17、两个气冷式冷凝换热器19、20、二个风 机21、22(220V100W)、一个铝制离心式压缩机12、一台220V 1100W 2840r/min带调频器 电动机11。

制冷时，喷射器13输出的气体经电磁四通阀14(上下位)进入换热器19，在换热器 19内冷凝成的液体经电磁三通阀15(左上位)进入贮液罐17，单向膨胀阀16从贮液罐17 吸出液体经电磁三通阀18(下右位)进入换热器20，在换热器20蒸发成气体经电磁四通阀 14(左右位)进入压缩机12，排出的气体进入喷射器13。制热时，喷射器13排出的气体经 电磁四通阀14(下左位)进入换热器20，在换热器20内冷凝成液体，液体经电磁三通阀 15(右上位)进入贮液罐17，单向膨胀阀16从贮液罐17吸出液体经电磁三通阀18(下左 位)进入换热器19，在换热器19蒸发成气体，气体经电磁四通阀14(上右位)进入压缩 机12后进入喷射器13。电动机11通过连轴器连接齿轮箱10，高速齿轮轴孔与楔块式超越 离合器外环连接，楔块式超越离合器内环与压缩机叶轮-涡轮叶轮轴连接，滚动轴承装在齿 轮箱两侧轴承位内。压缩机叶轮与轴总成后经过动、静平衡。

当系统抽真空注入制冷剂后，开启循环泵、加压泵、辅助电动机、风机15、16，经过 微调针型阀6，得到制冷工况。转换电磁三通阀、电磁四通阀，经过微调针型阀6，得到制 热工况。利用调频器调整辅助电动机的转速和温度开关调整热水器的出水温度，采用蒸发器 侧进出口空气焓差法，测试结果整理后如图3、4，测试环境条件：蒸发器侧干球温度(27 ±0.5)℃，湿球温度(19.5±0.5)℃，冷凝器侧干球温度(35±0.5)℃。