专利名称：变频率变流量热泵热水器的制作方法
技术领域：
本发明涉及有热发生装置的利用热泵的液体加热器，具体为一种变频率变流 量热泵热水器。
背景技术：
传统热水器通常以燃气、燃油、燃煤或电为加热能源，较新式的有采用太阳 能的。燃气、燃油、燃煤热水器利用可燃物质燃烧时产生的热能加热水，燃烧时 既容易因氧气供应不足而导致燃烧不充分，也容易因水压不稳定而造成热水水温 波动，存在废气中毒和烫伤的危险，因此安全性和使用性较差，且由于须消耗大 量不可再生能源，使用成本较高，对环境压力大。电热水器对电能的利用效率较 低，消耗大量电能，运行成本较高，且还存在着接地不良而引发的漏电触电危险。 太阳能热水器由于须顾及日照强度不足时的使用，因此普遍采用储水式和辅助电 加热的设计，这种特点使得水温会随着日照强度大小而波动，辅助电加热也同样 存在着电热水器的缺陷。目前， 一种新颖的空气源热泵热水器开始在市场上出现，这是一种以吸收空 气中热能作为主要能源的专门用于加热热水的设备，依照卡诺循环原理设计一套 循环做功体系，通过热媒的流动过程和物理相变过程中的物理和化学热的变化， 借助一部分电的动力，把周边空气中的热量提取出来，转化为高温的媒体能量， 并进一步把水加热至55 65'C。该系统热水得到的能量比电力消耗的能量大得 多，平均为3 3.5倍。由于用户使用时一般都是一年四季需要热水供应，且热 泵的冷凝侧水温往往要从5'C升高到55°C，这对热泵的设计和运行带来了极大的 困难，常规的热泵热水器很难适应这么宽的环境变化范围。现有的热泵热水机组 一般都是采用定频压縮机和热力膨胀阀或者毛细管进行节流的，只能满足较小范 围内的使用要求，当温度变化较大时，机组的性能参数就会降低。例如，夏天环 境温度较高时(温度一般在4(TC以上)，机组的排气温度和排气压力很高，容易 造成保护性停机，使机组无法正常工作；冬天环境温度较低时(温度一般在0'C以下)，机组的排气温度较低，制热输出功率较低，制热效果较差。 发明内容为了克服传统热水器所固有的能源消耗高利用率低、可靠性差、危险性大的 缺陷和现有热泵热水机组制热输出功率低、制热效果较差的缺陷，本发明公开了 一种变频率变流量热泵热水器。本发明采用的技术方案如下 一种变频率变流量热泵热水器，由机组部分、 水循环部分以及连接其中的水管、通讯线组成；机组部分包括:—变频率压縮机、 排气温度传感器、排气压力传感器、四通换向阀、套管式冷凝器、出水温度传感 器、盘管温度传感器、卸荷阀、电子膨胀阀、蒸发器、环境温度传感器、风机、 控制器、回气压力传感器和回气温度传感器；水循环部分包括水泵、排气阀、 球阀、水箱、水温传感器和过滤器；蒸发器的信号输出端端通过通讯线和回气压力传感器的信号输入端连接，回 气压力传感器的气压探头和回气温度传感器的温度探头都和变频率压縮机的回 气口连接，环境温度传感器的温度探头和蒸发器的表面连接，排气温度传感器的温度探头和排气压力传感器的气压探头都和变频率压縮 机的排气口连接，排气温度传感器和排气压力传感器的信号输出端都通过通讯线 和四通换向阀的信号输入端连接，四通换向阀的信号输出端通过通讯线和套管式 冷凝器的信号输入端连接，卸荷阀的信号输出端与电子膨胀阔的信号输出端都通过通讯线和蒸发器的 信号输入端连接，卸荷阀的信号输入端与电子膨胀阀的信号输入端都通过通讯线 和套管式冷凝器的信号输出端连接，变频率压縮机的信号输入端、四通换向阀的信号输入端、电子膨胀阀的信号 输入端都通过通讯线和控制器的信号输出端连接，回气压力传感器的信号输出 端、回气温度传感器的信号输出端、排气温度传感器的信号输出端、排气压力传 感器的信号输出端与环境温度传感器的信号输出端都通过通讯线和控制器的信 号输入端连接，套管式冷凝器的出水口通过水管和水泵的进水口连接，盘管温度传感器的温 度探头和套管式冷凝器的表面连接，出水温度传感器的温度探头和套管式冷凝器的出水口附近的水管连接，盘管温度传感器的信号输出端与出水温度传感器的信 号输出端都通过通讯线和控制器的信号输入端连接，水泵的出水口通过水管和排气阀的进气口连接，排气阀的出气口通过水管和 球阀的进水口连接，球阀的出水口通过水管和水箱的进水口连接，水箱的出水口 通过水管和球阀的进水口连接，球阀的出水口通过水管和过滤器的进水口连接， 过滤器的出水口通过水管和套管式冷凝器的进水口连接，待加热的水通过水管和球阀的进水口连接，球阀的出水口通过水管和水箱的 进水口连接，水箱的出水口通过水管和球阀的进水口连接，球阀的出水口通过水 管将加热后的热水输出至用户使用端。控制器既有控制电子膨胀阀打开角度的输出端，也有控制压缩机运转频率输 出端，盘管温度传感器的信号输出端和回气温度传感器的信号输出端都通过通讯 线和控制器控制电子膨胀阔打开角度的输出端连接；环境温度传感器的信号输出 端、排气温度传感器的信号输出端和水温传感器的信号输出端都通过通讯线和控 制器控制压縮机运转频率的输出端连接。本发明工作方式如下控制器检测水温传感器的数值，与用户设定的水温度数值进行比较，当水温 传感器数值《设定的水温度数值一6'C，控制器发出运转信号，机组加电，开始 运转。控制器检测环境温度传感器的数值，根据环境温度传感器的数值确定变频压 縮机的初始运转频率和电子膨胀阀的初始打开角度。在机组运转过程中，不断检测回气温度传感器的数值和盘管温度传感器的数 值，根据回气温度传感器和盘管温度传感器的差值，调整电子膨胀阀的打开角度， 使电子膨胀阀处于最佳节流状态，机组在此工作条件下的性能参数最优越。在机组运转过程中，不断检测环境温度传感器的数值、排气温度传感器的数 值和水温传感器的数值，根据环境温度传感器、排气温度传感器的数值和水温传 感器的数值，调整压縮机的运转频率，使机组在此工作条件下，压縮机处于最佳 运转状态，既保证了机组的制热能力，又保证机组能正常运转，不发生保护性停 机。根据出水温度传感器的数值，确定水管路中的水温，防止水管中的水温过低时，使水管中的水结成冰，冻坏机组。空气源热泵热水器是一种高效能的热水设备，也被称之为新太阳能热水器或 间接式太阳能热水器。这种热水器有着非常优秀的节能环保性能，而且工作性能 稳定，受气候影响较小，不受阴天下雨、白天黑夜的影响。这种热水器是一种以 吸收空气中热能作为主要能源的专门用于加热热水的设备，依照卡诺循环原理设 计一套循环做功体系，通过热媒的流动过程和物理相变过程中的物理和化学热的 变化，借助一部分电的动力，把周边空气中的热量提取出来，转化为高温的媒体 能量，并进一步把水加热至55 65°C。该系统热水得到的能量比电力消耗的能 量大得多，平均为3 3.5倍。在热机工作系统中，压縮机为动力源，其作用是将热媒压縮成为高温高压气 体，(气体温度可达到80 10(TC);高效换热器可以将热媒携带的热量转化为热 水，经过这个交换器，热媒失去物理热能和化学潜热能，由高温降为低温并由气 态转化为液态，与此同时途经换热器的水，获得能量而升高温度，变成有使用价 值的热水；当热媒经过节流阀进入吸热器后，热媒自身的压力己降低并由液态变 为(蒸发)气态，因沸点低于ot:甚多。使吸热器的温度大大低于环境温度，此 时在吸热器周围分布着大量的空气，它们的温度高于热媒蒸发时的温度，热媒极 易于吸热蒸发，而空气失去自身的热量变成更冷的空气(也称冷气)，当热媒在 吸热器内完成吸热蒸发的过程后，空气热能补充了热媒在换热器内失去的潜热 能。与使用燃气、燃油、燃煤或电为加热能源的热水器相比，本发明具有如下优占."、、 1. 安全性-本发明的制热过程是通过压縮机排出的高温高压制冷剂气体对水进行加热， 电主要用于维持压縮机的正常运转，加热后的气体在套管式冷凝器内与水进行热 交换，完全水电分离，这样，既不存在漏电隐患，也避免了电加热管表面温度高 容易引起结垢影响电加热效果。2. 环保性本发明直接从空气中吸收热量对水进行加热，不存在任何废水、废气、废渣 的排放，同时采用环保型制冷剂作为工作冷媒，真正体现了产品的环保性。3.节能性本发明只需要提供少量的电能，维持压縮机的正常运转，从空气中吸收热量 对水进行加热，其制热效率一般在3.0以上，即消耗1度电，可产生电加热消耗 3度电所产生的热水，极大地节约了能源。与现有的采用定频压缩机和热力膨胀阀或者毛细管进行节流的热泵热水机 组相比，本发明具有如下优点-1. 选用变频压缩机作为系统的动力源。定频压縮机由于其运转频率是定值， 即压缩机的输出功率是恒定的，当环境温度变化较大时，热泵热水机组的制热能 力也会发生很大的变化，当环境温度较高时(》4(TC)，机组的制热能力为额定工况下的1.5倍左右；当环境温度较低时(《5°C)，机组的制热能力为额定工况下的0.5倍左右。因此，当环境温度温度较高时，虽然机组的制热能力提高了，但系统的排气压力和排气温度也会很高，很容易因为排气温度过高或者排气压力 过高引起系统保护性停机(排气温度和排气压力超出机组的承受能力，为防止机 组系统出现异常，必须采取保护性停机)。同时，由于水温被不断加热后，水温也会不断升高(最高可达65°C )，此时由于蒸发温度和冷凝温度都处于较高状态， 机组的排气温度和排气压力更高。当环境温度较低时，由于空气源热泵热水机组 是从空气中吸收热量进行对水加热的，所以环境温度越低，机组从空气中吸收的 热量越少，机组的制热能力越差。采用变频压缩机后，根据环境温度和水温，自 动调节压縮机的运转频率，即调节机组的输出功率。当环境温度较高时，为保证 机组的排气温度和排气压力处于合理的数值，根据排气温度数值和水温传感器数 值决定压縮机的运转频率，当排气温度较高时，降低压縮机的运转频率；当排气温度较低时，提高压縮机的运转频率。当水温传感器数值较低时，提高压缩机的运转频率；当水温传感器数值较高时，降低压縮机的运转频率。同时，在本发明系统中增加了卸荷阀，当排气压力过高时，为保证机组正常运转，卸荷阀打开， 进行卸荷，降低系统的排气压力。2. 选用电子膨胀阀作为节流装置。传统的热泵系统一般选用毛细管或者热力膨胀阀作为节流装置进行节流。毛细管是一种定流量的节流装置，其流量是相 对恒定的，当系统的运转状态发生改变时，其节流效果却不会相应改变，而空气 源热泵热水机组的运转状态随着环境温度的变化，会发生差别很大的改变(环境温度从-l(TC 45'C，水温从5t: 65'C),所以选用毛细管作为节流装置，只能 满足一种工况下，机组处于最佳运转状态，而在其他工况条件下进行运转时，机 组的输出能力就会发生很大的偏差。热力膨胀阀属于一种机械式的节流装置，它 是根据系统的回气温度，调节热力膨胀阀的打开角度，以改变热力膨胀阀的节流 效果，但是由于其结构形式的限制，以及控制参数比较单一，只适合于工况变化 范围很小的热泵系统，而空气源热泵热水机组的工况变化范围较大，所以选用热 力膨胀阀进行节流时，只能满足一段工况范围内，机组能处于最佳工作状态，当 处于恶劣工况条件下的时候，热力膨胀阀就不能满足机组运转的需要了。电子膨 胀阀具有调节范围宽、控制参数变化大等优点，随着各种参数的改变，电子膨胀 阀的打开步数也会发生相应的改变，是机组在此条件下处于最佳运转状态。本发 明中，根据回气温度传感器的数值和盘管温度传感器的数值，调节电子膨胀阔的打开角度，使机组的回气温度传感器和盘管温度传感器的差值维持在rc左右。3.当冬天环境温度较低时((TC以下)，如果机组长时间处于待机状态(不 进行制热运转)，机组内部水系统管路中的热水就会慢慢冷却，当水系统管路中 的热水冷却至(TC以下时，水系统管路就会结冰，将机组冻坏。本发明中采用了 出水温度传感器防冻结保护功能，当机组处于待机状态时，如果出水温度传感器 的数值低于l(TC，控制器就会发出信号，要求水泵进行运转，将水箱内的热水 抽至机组内部的水系统管路中，当出水温度传感器的数值高于2(TC时，水泵就 会停止运转，所以能很好的防止水管路结冰。
图l是本发明的结构图具体实施方式
如图1所示， 一种变频率变流量热泵热水器，由机组部分100、水循环部分 200以及连接其中的水管、通讯线组成；机组部分包括变频率压縮机1、排气 温度传感器2、排气压力传感器3、四通换向阀4、套管式冷凝器5、出水温度传 感器6、盘管温度传感器7、卸荷阀8、电子膨胀阀9、蒸发器IO、环境温度传 感器11、风机12、控制器13、回气压力传感器14和回气温度传感器15;水循 环部分包括水泵16、排气阀17、球阀181、 182、 183和184、水箱19、水温传感器20和过滤器21;蒸发器10的信号输出端端通过通讯线和回气压力传感器14的信号输入端连 接，回气压力传感器14的气压探头和回气温度传感器15的温度探头都和变频率 压縮机l的回气口连接，环境温度传感器11的温度探头和蒸发器10的表面连接，排气温度传感器2的温度探头和排气压力传感器3的气压探头都和变频率压 縮机1的排气口连接，排气温度传感器2和排气压力传感器3的信号输出端都通 过通讯线和四通换向阀4的信号输入端连接，四通换向阀4的信号输出端通过通 讯线和套管式冷凝器5的信号输入端连接，卸荷阀8的信号输出端与电子膨胀阀9的信号输出端都通过通讯线和蒸发器 10的信号输入端连接，卸荷阀8的信号输入端与电子膨胀阀9的信号输入端都 通过通讯线和套管式冷凝器5的信号输出端连接，变频率压縮机1的信号输入端、四通换向阀4的信号输入端、电子膨胀阀9 的信号输入端都通过通讯线和控制器13的信号输出端连接，回气压力传感器14 的信号输出端、回气温度传感器15的信号输出端、排气温度传感器2的信号输 出端、排气压力传感器3的信号输出端与环境温度传感器11的信号输出端都通 过通讯线和控制器13的信号输入端连接，套管式冷凝器5的出水口通过水管和水泵16的进水口连接，盘管温度传感 器7的温度探头和套管式冷凝器5的表面连接，出水温度传感器6的温度探头和 套管式冷凝器5的出水口附近的水管连接，盘管温度传感器7的信号输出端与出 水温度传感器6的信号输出端都通过通讯线和控制器13的信号输入端连接，水泵16的出水口通过水管和排气阀17的进气口连接，排气阀17的出气口 通过水管和球阀181的进水口连接，球阀181的出水口通过水管和水箱19的进 水口连接，水箱19的出水口通过水管和球阀183的进水口连接，球阀183的出 水口通过水管和过滤器21的进水口连接，过滤器21的出水口通过水管和套管式 冷凝器5的进水口连接，待加热的水通过水管和球阀182的进水口连接，球阀182的出水口通过水管 和水箱19的进水口连接，水箱19的出水口通过水管和球阀184的进水口连接， 球阀184的出水口通过水管将加热后的热水输出至用户使用端。10控制器既有控制电子膨胀阀打开角度的输出端，也有控制压縮机运转频率输 出端，盘管温度传感器的信号输出端和回气温度传感器的信号输出端都通过通讯 线和控制器控制电子膨胀阀打开角度的输出端连接；环境温度传感器的信号输出 端、排气温度传感器的信号输出端和水温传感器的信号输出端都通过通讯线和控 制器控制压缩机运转频率的输出端连接。本发明方案中选用3HP变频压缩机，在额定工况下，压縮机的运转频率为 60Hz，压缩机的最大运转频率为110Hz，最小运转频率为20Hz，当环境温度、 排气温度和水温较高时，压縮机运转频率下降；当环境温度、排气温度和水温较 低时，压縮机运转频率上升，此时虽然空气源提供的热能量减少，但压縮机的输 出能力上升，所以其制热效果仍维持在较高水平(为额定工况下的0.9左右)。采用此发明方案后，空气源热泵热水机组的制热效果更好，更快，性能系数 更高，节能效果更加明显。额定工况下，机组的制热系数可达到4.5以上，而传 统的空气源热泵热水机组的制热系数一般在3.5左右。同时，低温制热效果更好， 在环境温度低于O'C时，制热效果为额定工况下制热效果的90%左右，而传统的 空气源热泵热水机组在环境温度低于(TC时，制热效果只是额定工况下制热效果 的50%左右。
权利要求
1.一种变频率变流量热泵热水器，由机组部分(100)、水循环部分(200)以及连接其中的水管、通讯线组成；机组部分包括变频率压缩机(1)、排气温度传感器(2)、排气压力传感器(3)、四通换向阀(4)、套管式冷凝器(5)、出水温度传感器(6)、盘管温度传感器(7)、卸荷阀(8)、电子膨胀阀(9)、蒸发器(10)、环境温度传感器(11)、风机(12)、控制器(13)、回气压力传感器(14)和回气温度传感器(15)；水循环部分包括水泵(16)、排气阀(17)、球阀(181、182、183和184)、水箱(19)、水温传感器(20)和过滤器(21)；蒸发器(10)的信号输出端端通过通讯线和回气压力传感器(14)的信号输入端连接，回气压力传感器(14)的气压探头和回气温度传感器(15)的温度探头都和变频率压缩机(1)的回气口连接，环境温度传感器(11)的温度探头和蒸发器(10)的表面连接，排气温度传感器(2)的温度探头和排气压力传感器(3)的气压探头都和变频率压缩机(1)的排气口连接，排气温度传感器(2)和排气压力传感器(3)的信号输出端都通过通讯线和四通换向阀(4)的信号输入端连接，四通换向阀(4)的信号输出端通过通讯线和套管式冷凝器(5)的信号输入端连接，卸荷阀(8)的信号输出端与电子膨胀阀(9)的信号输出端都通过通讯线和蒸发器(10)的信号输入端连接，卸荷阀(8)的信号输入端与电子膨胀阀(9)的信号输入端都通过通讯线和套管式冷凝器(5)的信号输出端连接，变频率压缩机(1)的信号输入端、四通换向阀(4)的信号输入端、电子膨胀阀(9)的信号输入端都通过通讯线和控制器(13)的信号输出端连接，回气压力传感器(14)的信号输出端、回气温度传感器(15)的信号输出端、排气温度传感器(2)的信号输出端、排气压力传感器(3)的信号输出端与环境温度传感器(11)的信号输出端都通过通讯线和控制器(13)的信号输入端连接，套管式冷凝器(5)的出水口通过水管和水泵(16)的进水口连接，盘管温度传感器(7)的温度探头和套管式冷凝器(5)的表面连接，出水温度传感器(6)的温度探头和套管式冷凝器(5)的出水口附近的水管连接，盘管温度传感器(7)的信号输出端与出水温度传感器(6)的信号输出端都通过通讯线和控制器(13)的信号输入端连接，水泵(16)的出水口通过水管和排气阀(17)的进气口连接，排气阀(17)的出气口通过水管和球阀(181)的进水口连接，球阀(181)的出水口通过水管和水箱(19)的进水口连接，水箱(19)的出水口通过水管和球阀(183)的进水口连接，球阀(183)的出水口通过水管和过滤器(21)的进水口连接，过滤器(21)的出水口通过水管和套管式冷凝器(5)的进水口连接，待加热的水通过水管和球阀(182)的进水口连接，球阀(182)的出水口通过水管和水箱(19)的进水口连接，水箱(19)的出水口通过水管和球阀(184)的进水口连接，球阀(184)的出水口通过水管将加热后的热水输出至用户使用端。
全文摘要
一种变频率变流量热泵热水器，涉及有热发生装置的利用热泵的液体加热器。本发明包括机组部分、水循环部分以及连接其中的水管、通讯线组成；机组部分包括变频率压缩机、四通换向阀、套管式冷凝器、卸荷阀、电子膨胀阀、蒸发器、风机、控制器、各种温度传感器和压力传感器；水循环部分包括水泵、排气阀、球阀、水箱、水温传感器和过滤器。本发明选用变频压缩机作为系统的动力源，选用电子膨胀阀作为节流装置，采用出水温度传感器防冻结保护，与使用燃气、燃油、燃煤或电的热水器相比，本发明具有安全性、环保性和节能性；与采用定频压缩机和热力膨胀阀或者毛细管进行节流的热泵热水机组相比，本发明制热输出功率高，制热效果强，对环境适应性好。
文档编号F24H4/00GK101319818SQ20071004156
公开日2008年12月10日 申请日期2007年6月4日 优先权日2007年6月4日
发明者王培荣 申请人:上海莫恩电器有限公司