专利名称：具有改进的除霜系统的热泵的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有循环除霜系统的热泵，更具体地是涉及这样一种装置，它采用一用以降低除霜循环的频度、持续时间和能量消耗、同时又可提高内部(室内)热舒适性的装置。
背景技术：
热泵是众所周知的，用于加热和/或冷却诸如楼房等之类的封闭空间。一台热泵通常包括一热交换流体(通常称作致冷剂)，它在一位于封闭空间内的内部热交换器与一位于封闭空间外的外部热交换器之间循环。
在热泵正常的加热模式操作过程中，其外部热交换器变得冷于外部环境并从外面吸收热量，内部热交换器变得暖于内部环境，从而将将热量传递到内部环境中。这样，热量便从一较冷的外部环境“泵送”入一内部环境。
当外部温度接近或低于水的冰点时，通常会在外部热交换器上形成冰(霜)，从而大大降低热泵的性能。因此，在热泵系统中通常使用除霜装置。
在热泵中使用热泵反向除霜系统是众所周知的。这种除霜系统通常是设计用来使冰融化，并使水从外部热交换器蒸发，以使冰对热交换过程的不利影响降低到最低限度。这种除霜系统通常在热泵运行一段时间后起动，并通常工作到外部热交换器上升至一定温度，以确保去除所有或至少大部分的冰和水。
在除霜循环过程中，通常将热泵反过来。外部热交换器变暖，而内部热交换器变冷。为了补偿在除霜循环过程中由内部热交换器吸收热量，起动一辅助内部加热器(通常是一电阻加热器或燃烧加热器)。
在热泵加热能力无法满足房间加热负荷要求的情况下，传统的热泵使辅助电阻加热盘管供能以满足所需的负荷。这会造成较大的内部温度波动，并降低工作效率。
发明目的因此，本发明的一个目的在于提供一种具有新型改进的除霜循环系统的热泵。
本发明的另一个目的在于提供一种在除霜循环过程中可显著改善内部热舒适性的热泵除霜循环系统。
本发明的另一个目的在于提供一种可显著提高热泵可靠性的热泵除霜循环系统。
本发明的另一个目的在于提供一种在除霜循环过程中可显著节能的热泵除霜循环系统。
本发明的进一步和其它的目的将通过以下的描述而变得清楚。
发明概要按照本发明的一个方面，上述和其它的目的由一种热泵系统来实现，它构成为在一外部环境与一内部环境之间通过一流体致冷剂传热的可操作的关系，包括一压缩机；一内部热交换器；一外部热交换器；一蓄热器；以及一用于加热流体致冷剂以使外部热交换器除霜的分离的加热装置，该热泵可以一将热量从一外部环境传递到一内部环境的加热模式运作。
按照本发明的另一个方面，一种加热一封闭空间的方法包括以下步骤a．提供一热泵系统，它构成为在一外部环境与一内部环境之间通过一流体致冷剂传热的可操作的关系，包括一压缩机；一内部热交换器；一外部热交换器；一蓄热器；以及一用于加热流体致冷剂以使外部热交换器除霜的分离的加热装置，该热泵可以一将热量从一外部环境传递到一内部环境的加热模式运作；b．使热泵以加热模式运作；以及c．使分离的加热装置供能，以在一除霜循环中使外部热交换器除霜。
附图简述附图中
图1是一热泵的示意图，表示冷却模式/第二除霜循环中的循环，按照本发明，该热泵具有一加设于蓄热器的分离的加热装置。
图2是一热泵的示意图，表示加热模式/第一除霜循环中的循环，按照本发明，该热泵具有一加设于蓄热器的分离的加热装置。
为便于更好地理解本发明以及其进一步和其它的目的、优点和能力，可结合上述附图参照以下的揭示和所附权利要求书。
发明详述本发明通过加设一通常通过蓄热器来加热流体致冷剂的分离的加热装置，从而在加热一泵除霜循环过程中消除了内部冷空气流。这种装置与热泵回路分离，单独控制，并可以是电阻加热器、任何类型的燃烧加热器或适于将热量施加于蓄热器的任何结构。
图1和2描绘出本发明的一热泵系统中的基本热交换回路，分别表示冷却和加热模式。图中示出的是压缩机10、内部热交换器12；外部热交换器14；含液体致冷剂17的蓄热器16；用于加热蓄热器16和/或管路25、26和/或27的分离的加热装置18、18’、18”和/或18’’’；第一和第二膨胀装置20、22；相应的第一和第二单向阀21、23；以及热泵反向阀24。本技术领域的技术人员可以理解，完整的热泵通常还包括传统的电源、各种不同的控制系统以及其它各系统和分系统。冷却模式热泵运作下面参见图1，热泵反向阀24处于冷却模式状态，因而内部热交换器12用作一蒸发器，而外部热交换器14用作一冷凝器。冷却用气体致冷剂从压缩机10流到外部热交换器14而冷凝成热的高压液体。液体流过第二单向阀23并因而流过第一膨胀装置20而在内部热交换器12中蒸发。气体致冷剂流过蓄热器并返回压缩机10，从而完成循环。加热模式热泵运作下面参见图2，热泵反向阀24处于加热模式状态，因而外部热交换器14用作一蒸发器，而内部热交换器12用作一冷凝器。冷却用气体致冷剂从压缩机10流到内部热交换器12而冷凝成热的高压液体。液体流过第一单向阀21并因而流过第二膨胀装置22而在外部热交换器14中蒸发。气体致冷剂流过蓄热器并返回压缩机10，从而完成循环。加热模式/第一除霜循环(图2)本发明可显著降低热泵反向而用于除霜的频度。当外部热交换器14需要被除霜并且外部环境温度至少约为32°F到36°F时，通过本发明可实现所需的除霜效果，而无须使热泵反向。
这种除霜循环的实际可操作的最低外部环境温度取决于至少两个因素1)由分离的加热装置所施加的热量相对于热泵能力的量；以及2)热泵工作所在的气候条件。在一般条件下，建议家用和商用热泵的预设最低外部环境温度在约32°F到36°F的范围内。在一般的温度气候条件下，较佳的预设最低温度通常在约34°F到35°F的范围内。当外部环境温度处于或高于该预设最低外部环境温度，用于控制热泵操作的装置、诸如具有一外部温度传感器35的一热泵控制系统30使第一除霜循环工作，而不使热泵反向。换句话说，该热泵控制系统将热泵在第一除霜循环过程中保持于加热模式。
最好通过加热装置18对蓄热器16施加热量。替代或是另外地，可以对蓄热器16与热泵反向阀24之间的管路部分26施加热量(示为加热装置18’)，和/或对热泵反向阀24与外部热交换器14之间的管路部分27施加热量(示为加热装置18”)。加热装置18可以是一电阻加热器或是如上所述适于对系统施加热量的任何其它类型的传统装置。
在如上所述施加足够的热量后，第二膨胀装置22下游的压力(吸入压力)升高，因而外部热交换器14的温度升高到32°F以上的一通常预设温度，以对其进行除霜。这样，除霜便在热泵仍处于加热模式运作的同时完成。
由于霜最可能在外部环境温度处于约32°F到40°F范围内时形成于外部热交换器14上，因而在上述最低预设温度下使用本发明可显著提高热泵系统的总体效率。
实例Ⅰ用一种如上所述的、装有R-22致冷剂的两吨空调装置来试验如以上所描述的本发明。试验结果表明，对蓄热器16的一个1200BTU/Hr的热量输入使吸入压力提高8psi，表示外部热交换器14温度升高约6°F。
通过分离的加热装置施加额外的热量可进一步升高外部热交换器14的温度。如上所述施加的热量可随其通过压缩机10被输送给房间而得以有效利用。由于压缩机吸入压力和温度升高，压缩机10的加热能力提高。由于热泵加热能力提高并消除了热泵反向和相应的内部冷空气流，因而内部热舒适性得以改善。由于降低了除霜循环热泵反向的频度，因而可提高热泵的可靠性。反向模式/第二除霜循环(图1)当外部环境温度降至如上所述的一预设温度以下时，加热装置的加热能力可能不再足以有效地将外部热交换器14的温度升高到32°F以上。在这种情况下，热泵控制系统30在除霜循环过程中使热泵反向。致冷剂流量阀24暂时切换到冷却模式状态，因而热泵如上所述以反向模式操作。然而，本发明与传统的热泵反向除霜循环不同，具体如下所述。
热泵的反向可以与加热装置18、18’、18”和/或18’’’的供能同时发生，也可以延迟一段较短的时间，它们分别适用于不同的具体场合。
使致冷剂蒸发所需的热量最好通过加热装置施加于蓄热器16。替代或是另外地，可将热量施加于蓄热器16与热泵反向阀24之间的管路部分26(示为加热装置18’)，和/或施加于热泵反向阀24与内部热交换器12之间的管路部分25(示为加热装置18’’’)。在这种类型的除霜循环中，内部风扇40最好不工作(关掉)。
致冷剂在蓄热器16中(和/或在管路25和26中)的沸腾使吸入温度和压力升高。因此，压缩机加热能力也立即提高。这可以减少使用常用和传统的电阻室辅助加热器(未图示)，除非是在非常冷的外部环境温度条件下。
在除霜循环的头两分钟中，传统的热泵通常因热泵的反向而将几乎所有的致冷剂压入蓄热器，从而造成一“贫致冷剂”压缩机。因此，除霜循环的效能受到影响。相反，本发明几乎立即使液体致冷剂在蓄热器中(和/或管路部分25和26中)沸腾，避免了压缩机的“贫致冷剂现象”，从而增进了除霜过程。
曾证明一种新的液体过供给空调系统可提供提高的冷却能力和性能系数。该系统描述于1993年9月21日颁发的、名为“液体过供给空调系统和方法”的美国专利No.5，245，833中，该专利的整个揭示援引在此以供参考。该专利中所提出的液体过供给原理可以应用于本发明所述的热泵的一个较佳实施例中。为了利用液体过供给原理，该系统中的致冷剂应被充装成使液体致冷剂存在于蓄热器-热交换器中。
以上所描述的本发明可以用于带有或不带有液体过供给特征的热泵中。在较佳的液体过供给热泵中，蓄热器-热交换器16通常始终含有液体致冷剂。在蓄热器-热交换器16中进入热量可气化其中的致冷剂，从而使吸入压力升高。
对于传统的(非液体过供给)热泵中，当霜开始形成于外部盘管上时，致冷剂通常开始聚集于蓄热器中。在除霜循环中，按照本发明对蓄热器的热量输入使蓄热器中的致冷剂沸腾，从而使吸入压力和温度升高，实现与液体过供给热泵场合基本相同的效果。
本发明的一些优点是1．内部热舒适性得以提高。对于在除霜循环过程中的传统热泵系统，即使内部电阻加热盘管处于通电状态，循环通过内部空气处理系统(未图示)的空气的温度基本仍仅在65到70°F。如果这种气流吹到人身上，人通常会感到冷。利用本发明，在外部环境至少处于预设温度的同时，没有热泵的反向。在使外部热交换器14盘管上的霜融化的同时，热泵继续以加热模式运作。同时，热泵的加热能力得以提高，压缩机的效率得以改善。
对于较低的外部环境温度，与传统系统中的一样，热泵被反向而用于除霜。然而，内部热交换器12上的电风扇(未图示)通常不工作，从而消除了内部冷空气流。
而且，在热泵加热能力小于所需的加热负荷的情况下，诸如当外部环境温度非常低时，传统的热泵系统使内部辅助电阻加热盘管供能，以满足所需的加热能力。当电阻盘管供能时，人通常会感到暖和，而当电阻盘管断电时，人通常会感到冷。利用本发明，加热装置18可对蓄热器16提供足够的热量，因而压缩机10的效率立即得以提高，并有更多的热量被提供给内部。这就基本消除了内部温度的大幅度波动，从而改善内部的热舒适性。
2．热泵可靠性得以提高。大家知道，热泵在除霜循环中的反向会对热泵系统施加巨大的机械和电气应力。由于除霜循环热泵反向的频度大大降低，因而热泵、尤其是压缩机的可靠性就可得以提高。
按照ASHRAE手册-原理1989第28章28.11页(美国加热、致冷和空调工程股份有限公司协会，1791 Tullie Circle，N.E.，Atlanta，佐治亚州30329)中的数据可提供一个实例。在Knoxville、Tennessee地区，每年平均有1238个小时其外部环境温度在37°F到42°F的范围内，平均有845个小时低于32°F。对于一台每90分钟除霜一次的热泵，传统热泵总共需要1388次循环热泵反向。本发明减少了825次热泵反向(约60％)。热泵反向次数的这种显著降低可提高热泵的可靠性。
3．能耗得以降低。传统的电阻式辅助加热器(未示出)在除霜循环中是不工作的，这是因为其中的功能由加热装置18代替。由于加热装置18直接连接于蓄热器16，因而致冷剂与加热盘管之间的传热是直接的，这比内部盘管、空气和传统电阻式辅助加热器更为有效。而且，由于内部风扇在第二除霜循环过程中最好不工作，因而也可以节约风扇40的功耗。
4．除霜循环所需的时间得以显著缩短。在一台传统热泵的除霜循环过程中，热泵被反向，并且液体致冷剂被压入蓄热器，从而造成上述的“贫致冷剂现象”。本发明通过直接对蓄热器施加热量，使蓄热器16中的致冷剂立即沸腾，从而克服了这一缺点。因此，缩短了除霜循环。
本发明可以实施于新的热泵中，并可用最少的成本改造现有的热泵，只须安装一加热装置18和热泵控制件(未图示)，这些可很容易地由本技术领域的技术人员为一具体的应用场合而设计并安装。
本发明也可用于采用除霜循环的致冷系统上，以便实现更快、更高效的除霜。
本发明还可用于电动汽车中。使用热泵用以在电动汽车驾驶室中供热是合乎需要的，但有效的除霜始终是一个问题。利用本发明，驾驶室不会有冷气流，所提供的能耗节省将延长行驶距离。
虽然以上示出和描述了本发明的、到目前为止认为是较佳的实施例，但本技术领域的技术人员很清楚，在不脱离由所附权利要求书限定的本发明的范围的情况下可以对其进行各种不同的修改和变化。
权利要求
1．一种热泵系统，它构成为在一外部环境与一内部环境之间通过一流体致冷剂传热的可操作的关系，包括一压缩机；一内部热交换器；一外部热交换器；一蓄热器；一热泵反向阀；以及一设置成与所述蓄热器、所述蓄热器与所述热泵反向阀之间的一部分管路和所述热泵反向阀与所述外部热交换器之间的一部分管路中的至少一个传热接触的分离的加热装置，用于加热所述流体致冷剂而升高吸入压力，以在一除霜循环过程中使所述外部热交换器除霜，在该除霜循环中所述热泵继续以一加热模式运作。
2．如权利要求1所述的热泵系统，其特征在于，所述分离的加热装置与所述蓄热器传热接触。
3．如权利要求1所述的热泵系统，其特征在于，它还包括一控制一除霜循环以使所述外部热交换器除霜的控制装置，所述控制装置包括一为所述分离的加热装置提供能量的供能装置。
4．如权利要求3所述的热泵系统，其特征在于，所述控制装置包括在外部环境温度至少为一预设温度时将所述热泵在所述除霜循环中保持于加热模式的装置。
5．如权利要求4所述的热泵系统，其特征在于，所述除霜循环是一第一除霜循环，所述分离的加热装置设置成与所述蓄热器、所述蓄热器与所述热泵反向阀之间的一部分管路和所述热泵反向阀与所述内部热交换器之间的一部分管路中的至少一个传热接触，用于加热所述流体致冷剂而升高吸入压力，以在外部环境温度低于所述预设温度时，在一第二除霜循环中使所述外部热交换器除霜，而所述热泵在该除霜循环中以一反向的模式运作。
6．如权利要求4所述的热泵系统，其特征在于，所述预设温度设定成一个在约32°F到36°F范围内的温度。
7．一种加热一封闭空间的方法，它包括以下步骤a．提供一热泵系统，它构成为在一外部环境与一内部环境之间通过一流体致冷剂传热的可操作的关系，包括一压缩机；一内部热交换器；一外部热交换器；一蓄热器；一热泵反向阀；以及一设置成与所述蓄热器、所述蓄热器与所述热泵反向阀之间的一部分管路和所述热泵反向阀与所述外部热交换器之间的一部分管路中的至少一个传热接触的分离的加热装置，用于加热该流体致冷剂；b．使所述热泵以所述加热模式运作；c．间歇地使一除霜循环运作，包括将所述热泵保持在加热模式，同时使分离的加热装置供能而升高吸入压力，以使所述外部热交换器除霜。
8．如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述供能步骤是通过将热量从所述分离的加热装置传递至所述蓄热器来进行的。
9．如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述供能步骤是通过一控制所述除霜循环的控制装置来进行的。
10．如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述供能步骤还包括当外部环境温度至少为一预设温度时将所述热泵在所述除霜循环中保持在加热模式。
11．如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述预设温度设定成一个在约32°F到36°F范围内的温度。
12．一种加热一封闭空间的方法，它包括以下步骤a．提供一热泵系统，它构成为在一外部环境与一内部环境之间通过一流体致冷剂传热的可操作的关系，包括一压缩机；一内部热交换器；一外部热交换器；一蓄热器；一热泵反向阀；以及一设置成与所述蓄热器、所述蓄热器与所述热泵反向阀之间的一部分管路和所述热泵反向阀与所述内部热交换器之间的一部分管路中的至少一个传热接触的分离的加热装置；b．使所述热泵以一加热模式运作；c．在外部环境温度低于一预设温度时，间歇地使一除霜循环运作，包括使所述反向阀反向，并使分离的加热装置供能而升高吸入压力，以使所述外部热交换器除霜。
13．如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述除霜循环还包括使一位于所述内部热交换器上的风扇不工作。
14．如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述供能步骤是通过将热量从所述分离的加热装置传递至所述蓄热器来进行的。
15．如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述供能步骤是通过一控制所述除霜循环的控制装置来进行的。
16．如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述预设温度设定成一个在约32°F到36°F范围内的温度。
全文摘要
一种热泵系统,它构成为在一外部环境与一内部环境之间通过一流体致冷剂传热的可操作的关系,包括:一压缩机(10);一内部热交换器(12);一外部热交换器(14);一蓄热器(16);以及加热蓄热器(16)和/或管路(25,26,27)、以使外部热交换器(14)除霜的装置(18,18’,18”,18’”)。
文档编号F25B30/06GK1285031SQ98813677
公开日2001年2月21日 申请日期1998年2月18日 优先权日1996年7月22日
发明者F·C·陈, V·C·迈, R·W·墨菲 申请人:Ut－巴泰尔有限公司