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多联式空调(热泵)机组中国专利申请概况

发表日期:2020/3/19 0:11:00 来源:中国制冷与空调网 评论 总点击量:

多联式空调(热泵)机组(以下简称“多联机”)早在上世纪80年代由日本大金工业株式会社研发,并于上世纪90年代引入我国。多联机(VRV)就是传统意义上的一拖多氟系统空调机组,即在传统的房间分体空调器由一台室外机连接一台室内机的一对一方式的基础上,研制出的一台室外机连接多台室内机的空调系统。随着我国经济发展和人民生活水平的提高,以及压缩机变频技术不断发展,多联机逐渐进入人们视野,受到重视,并得到了充分发展和推广应用。与传统集中式空调相比,多联机直接使用制冷剂运输冷量,且能够根据室内机组负荷的变化自动调整输出负荷,因而多联机调节更加灵活,能耗更低,系统能效更高 。

多联式空调(热泵)机组(以下简称“多联机”)早在上世纪80年代由日本大金工业株式会社研发,并于上世纪90年代引入我国。多联机(VRV)就是传统意义上的一拖多氟系统空调机组,即在传统的房间分体空调器由一台室外机连接一台室内机的一对一方式的基础上,研制出的一台室外机连接多台室内机的空调系统。随着我国经济发展和人民生活水平的提高,以及压缩机变频技术不断发展,多联机逐渐进入人们视野,受到重视,并得到了充分发展和推广应用。与传统集中式空调相比,多联机直接使用制冷剂运输冷量,且能够根据室内机组负荷的变化自动调整输出负荷,因而多联机调节更加灵活,能耗更低,系统能效更高 。

多联机制冷循环系统由压缩机、冷凝器、多个蒸发器和对应数量的多个膨胀阀组成(图1)。系统中的制冷剂在流经冷凝器后还会进入分歧管进行分流。由于各蒸发器的物理位置不同,所处的环境负荷不同,不同蒸发器在运行时存在耦合和干扰,因此,多联机在系统的控制上与独立空调系统存在较大的不同。

图1  多联机工作原理

随着人们对知识产权保护的理解不断加深,多联机在专利申请量方面逐渐增加,各研究机构或空调厂商对研发成果申请专利,实施专利布局,有效地占领多联机市场。

本文选取了中国专利文摘CNABS数据库和全文CNTXT数据库,利用IPC(国际通用专利文献分类检索工具)分类号和关键词(多联机、变频/变容压缩机、电子膨胀阀、回油/油平衡等)进行了检索和统计(检索时间为2019年9月11日—17日),从专利申请的年度变化、具体申请人及其类型、以及核心技术内容等方面分析了其发展概况。通过对近年来多联机中国专利申请文献进行统计,分析该领域的发展趋势和核心技术,并展望多联机技术发展方向。

1  多联机中国专利申请量时间分布

如图2所示,从1992—2018年27年间,多联机方面专利申请量整体上稳步上升,截至2018年,专利申请量为331篇。从图2中可以看出,中国多联机技术相比国外起步较晚,在1992—2001年间,每年只有几篇专利申请,且发明改进之处主要围绕多联机基本结构和简单的控制方法;在2002—2011年间多联机专利申请量有小范围波动,但基本都维持在每年几十篇,该期间多联机专利申请已经上升为对具体零部件和一些制冷剂流动控制等方面的改进,例如压缩变频,多台压缩机的油平衡,气液分离器、油分离器等具体分支,由此说明该时间段内多联机技术在我国已经进入中期发展;2012—2018年间申请量呈几何系数上升,增长迅猛,从每年一百多篇增长到每年三百多篇,发明点涉及以节能、环保、降噪等方面,从业人员已经意识到多联机的技术优势以及研究的意义,开始大力研发,在技术上进入攻坚阶段。

图2  多联机中国专利申请量时间分布

2  多联机的国别分布

多联机起源于日本,经过了几十年的研究和发展,国外的技术水平已经到达了一定高度,但经过检索发现,在1992—2018年间,中国专利申请中有87%来源于国内申请人,国外申请人的申请量仅占13%(图3)。经分析,近些年多联机在国内市场中的占比不断增加,使用越来越普遍,尤其是在住宅的家用型集中空调方面,优势更加明显。同时我国制冷空调设备生产量已跻身世界前列,制冷空调行业整体的繁荣也带动了多联机领域的发展。另外,从业人员对知识产权保护意识也不断提高,专利申请量不断增加。

图3  多联机中国专利申请国别分布

3  申请人分布

图4列举了1992—2018年近30年间多联机中国专利申请量排名前27的申请人,从国别分布上看国内申请人较多,主要是国内各大制冷空调厂商,而国外申请人相对较少,主要来自于日本和韩国。从申请人类型做进一步分析,国内申请人只有一所高校,清华大学,另外由于多联机的应用领域较为集中,以住宅集中式为主,因而企业申请人类型基本是以住宅空调为主营项目的企业。由此看出多联机技术的发展在企业已经得到重视,并取得了一定的成绩,而在高校方面还需要提高对多联机和专利的认识,加快研究,并申请专利。

图4  多联机中国专利申请排名前27的申请人

由于某些关联企业间存在申请交叉,因此为了方便分析,笔者将相关的公司或隶属于同一集团的公司算作同一研究对象,例如图中申请量排名第一的包括广东美的暖通设备有限公司、美的集团股份有限公司、广东美的电器股份有限公司、广东美的制冷设备有限公司、广东美芝制冷设备有限公司,笔者将其统称为“美的集团股份有限公司及其独资或合资公司”,青岛海尔空调电子有限公司、海尔集团公司,以及宁波奥克斯电气有限公司、宁波奥克斯电气股份有限公司、奥克斯空调股份有限公司(以下称“宁波奥克斯电气有限公司/股份有限公司”)也分别做同一处理进行研究。但经过检索发现,南京天加环境科技有限公司与南京天加空调设备有限公司之间、乐金电子(天津)电器有限公司与LG电子株式会社之间在多联机方面的申请没有交叉,因此作为单独的两个企业进行分析。

美的集团股份有限公司及其独资或合资公司在多联机方面的专利申请高达492件,珠海格力电器股份有限公司以394件的申请量屈居第二,青岛海尔空调电子有限公司/海尔集团公司和宁波奥克斯电气有限公司/股份有限公司分别申请了148件和138件,青岛海信日立空调系统有限公司也申请了近百件,其后广东志高暖通设备股份有限公司也提交了78件专利申请,由此看出国内空调厂商近几年对多联机的研究取得了一定的成果,并进行了专利申请方面的知识产权保护。国外申请人方面,乐金电子(天津)电器有限公司、三菱电机株式会社、LG电子株式会社、三星电子株式会社、三洋电机株式会社、大金工业株式会社均提交了几十件至十几件专利申请,虽然国外申请人在申请量上不占优势,但在发明内容的创新点和申请质量上占据领先地位。

4  多联机专利申请核心技术

多联机是一个室外机和多个室内机的系统,多个蒸发器在制冷剂流量、制冷剂温度、压力等方面相互作用、耦合,从而导致多联机技术较为复杂,在系统控制方面的设计、优化显得尤为重要,若在设计或控制方面出现偏差,则会导致多联机优势无法发挥,甚至比传统空调更加耗能。笔者对多联机专利申请的核心技术进行分析,结果如图5所示:制冷剂分流或电子膨胀阀控制方面的创新占整个核心发明点的57%;系统控制或优化方法方面的申请量占总量的20%,由前两者申请量的占比发现,人们对系统控制、电子膨胀阀控制方面研究较多;关于压缩机改进或控制方面的申请量占15%,说明压缩机的研究也始终保持强劲的势头;另外,压缩机回油或油平衡的专利申请占5%;多联机的安装或施工方面的专利申请量在3%,这说明多联机由于其系统的复杂而导致安装或施工也有一定技术含量,下面单独分析每个核心技术方面的具体内容。

图5  多联机发明点分布

4.1  制冷剂分流或电子膨胀阀控制

由于多联机中每个室内机所处的环境负荷不同,用户设定的温度也不同,因此需要对电子膨胀阀和进入各蒸发器的制冷剂流量进行控制。考虑到对节能和环保要求的不断提高,制冷剂分流或电子膨胀阀控制是重点研究方向。由于该方面的专利申请量较大,涉及的创新手段也多种多样,笔者将主要技术手段进行概括,归纳为以下几类:

1)通过采集读取空调系统的各项物理参数,对电子膨胀阀的开度进行修正。

a.通过空调系统的参数对制冷剂充注等级判断从而修正电子膨胀阀开度。

b.通过室内机的开机状态进行检测,从而控制电子膨胀阀开度。

c.通过过冷度或过热度判断冷凝器或蒸发器的工作状态,进而调节电子膨胀阀。

d.基于每个室内机的阀前压力值、送风温度和回风温度,调节膨胀阀开度。

2)制冷剂分流控制。例如在两个室内机蒸发器之间设置带有电磁阀的支管,充分调用内机,避免资源浪费。

3)在系统中单独设置制冷剂量调节装置。例如通过电磁阀、气液分离器等部件对系统过多或多少的制冷剂量进行调节,以满足制冷或制热系统中制冷剂量的需求。

4)改进分歧管或分液结构,减小分液控制误差,减小局部阻力损失。

5)改进电子膨胀阀本体结构,减少调节偏差,避免制冷剂回流至压缩机,保证系统的精确控制和稳定运行。

4.2  系统控制或优化方法

为了实现多联机的节能与优化运行,综合考虑舒适性和经济性,除了对制冷剂的分流和电子膨胀阀的改进外,制冷系统整体控制和优化也十分重要,需要进一步加大研发力度。对系统的控制或优化主要有以下的技术手段:

1)控制室外机和室内机风扇转速,以满足不同工况和负荷的需求。

2)构建物理模型,进行仿真模拟,提高系统的性能,减小优化的成本。

3)与新风系统结合,提高室内空气质量和能效。

4)对系统多余热量进行回收利用,例如设置热水箱或换热器、冬季与地暖系统进行结合等。

5)对系统恒温除湿或除霜方面的改进。

6)减少零部件的设置,降低成本。例如系统内只设置一只压力传感器,通过检测和计算,判断运行参数。

7)降低系统噪声方面的改进。

8)低温下启动系统方法的改进,提高设备使用寿命。

4.3  压缩机

压缩机是制冷系统的心脏,压缩机的做功能力直接决定制冷系统的冷量,且由于室内环境负荷变化范围较大,因而多联机一般都会采用变频压缩机,针对压缩机的改进,一直都是行业内的热点之一。经过对专利文件的检索,压缩机的改进主要分为以下几类:

1)对电机本身进行改进,例如采用直流电机,全直流变频压缩机,能够提高压缩机效率,降低噪音,与优化算法的控制有机结合能够减小房间温度波动,提高空调性能。

2)多台压缩机并联,并利用优化算法控制开启数量。

3)压缩机单缸与双缸的切换控制,控制室温的前提下提高系统性能参数。

4)室外低温工况下采用喷气增焓压缩机,提高制热能力。

5)对压缩机的出口温度进行常规控制,例如过热保护等。

4.4  回油或油平衡

由于多联机在部分负荷下压缩机转速不高,制冷剂流速较低,导致回油困难,另外,多联机的环境负荷较大,因此压缩机往往会采用多台并联的形式以提高制冷量,关于压缩机的回油以及并联机之间油平衡的专利申请文献也占有一定的数量。关于回油或油平衡的发明创造的改进主要分为以下几类:

1)对多台压缩机之间设置的回油管会油平衡管进行尺寸的改进,以提高回油控制精度。

2)设置回油电磁阀和/或油平衡电子膨胀阀,对每台压缩机回油量精确控制。

3)设置多台带有油平衡管的油分离器,在多台压缩机之间或制冷剂进气口处均设置旁通支路,调节油平衡。

4)设置油位检测装置,与控制模块构成反馈机制,利用多台压缩机直接设置的小型油泵调节油平衡。

4.5  施工

多联机俗称“一拖多”系统,施工安装过程制冷剂管路的长度、室内机与室外机之间的高差都会影响多联机空调系统的性能。另外,弯头、分歧管的安装都有一定的要求,多台室内机还要与室内装潢有机配合,因此多联机的安装复杂,存在大量繁琐的工作。专利申请中记载的围绕多联机施工方面的技术手段如下:

1)对多联机管路或分歧管设置支架或吊杆等结构,减小制冷剂流动沿程压力损失,降低系统噪声。

2)分歧管设置保温装置,减小冷(热)量损失。

3)以房间的热负荷大小、分歧管与室(内)外机的距离等条件为依据科学合理计算,优化管路布置,减小阻力损失,减少耗材。

5  发展趋势及展望

随着多联机系统的研究力度不断加大,其创新成果不断涌现,在市场占有率逐渐增大,但在以下几方面还需要进行考虑或创新:

1)各室内机之间的耦合和干扰作用机理还需要进一步建模研究,以便有的放矢地提高优化控制,提高能量利用率,减小能量损失。

2)多联机由于其对热(冷)负荷的调节更加灵活而使得其明显提高了系统性能,但由于各室内机换热过程相互耦合和干扰,且管路较长,因此节能方面还需要进行精确地量化分析。

3)系统内部容积较大,管路较长导致制冷剂充灌量较大,泄漏的风险增加,因此管路的布置、焊接工艺需要进一步优化,且出于环保的考虑,对现有制冷剂的替代工质的研究也迫在眉睫。

6  结束语

本文详细介绍了多联机中国专利申请概况。申请量随时间逐渐增长,尤其近几年呈几何指数递增;申请人以国内为主,基本是以家用住宅空调为主营项目的生产厂商;核心技术方面,关于制冷剂分流或电子膨胀阀控制方面申请量占比最大,其次是系统的优化或控制方法以及压缩机的改进,围绕回油或油平衡以及施工方面的专利申请也占有一定数量,并归纳了各核心技术方面的技术手段。本文也分析了目前多联机面临的技术问题以及展望了发展趋势。因此,只有加快创新的步伐,并积极利用知识产权保护这一重要手段,才能在经济全球化的大潮中创造新的发展机遇。


本文选自《制冷与空调》2019年11月刊88-92页

作者:刘学章  年玉琳  王轶凡

未经许可,不得转载


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