专利名称：消除冷吹的热泵风扇脉冲宽度调制控制的制作方法
技术领域：
本申请涉及一种热泵，其中，对用于使空气移动到已调节环境中的风扇进行脉冲宽度调制控制以解决“冷吹”的问题。
背景技术：
热泵在本领域中是已知的并被用于在炎热天气或产生过度内热负荷的时间段内 向已调节环境提供冷却，或者当天气寒冷时向同一室内环境供热。而且，已知有更简单化的 热泵设计，它们能够仅仅在加热模式下工作。在向室内环境提供有效的调节方面，热泵具有 极大的潜力，但是它们的使用却有障碍。关于现有热泵设计的一个已知的问题是所谓的“冷吹”。当热泵没有足够的排热能 力来充分地加热正被驱使到待调节环境中的空气时，会发生“冷吹”。当这个现象发生时，被驱使越过室内换热器并进入待调节环境中的空气未被加热 到处在该环境中的人所期望的温度，给此人造成不舒适的条件，这当然是不希望的。已知的是或者通过使用变速驱动装置、或者通过双速风扇马达来减少输送到待调 节环境中的空气的体积来解决“冷吹”问题。双速风扇马达不能提供足够的灵活性来调整 气流以达到所期望的温度。变速驱动装置可以提供这样的灵活性，但其非常昂贵，是额外的 潜在可靠性问题的源头并与效率损失相关联。因此，还没有成本合算的适当的方案用来解 决这个问题。已知的是脉冲宽度调制控制被用来控制在诸如空调系统或热泵的制冷系统中流 向压缩机的制冷剂的量。然而，脉冲宽度调制控制还尚未被用于解决上面提及的“冷吹”问题。
发明内容
在本发明的一个公开的实施例中，使空气移动越过室内换热器的风扇以脉冲宽度 调制的方式工作。脉冲宽度调制控制的使用精确地调整了被移动越过室内换热器并进入气 候受控环境中的空气的量，使得在加热工作模式下，由室内换热器向室内空气流所排出的 热足以将受控体积的空气加热到所期望的温度。从而，如果由室内换热器所排放的可用于 加热空气的热变少，那么正被驱使进入该环境的空气的量将相应地减少，使得空气以目标 温度被输送到气候受控环境中。在单速风扇应用中，通过严格控制风扇并使其在“开”位置和“关”位置之间循环， 本发明能够精确地控制输送到室内空间的空气的温度。如果使用双速风扇，那么脉冲宽度 调制控制能够使该风扇在较低速度和较高速度之间循环，以达到所期望的效果。在后一种 情况中，如有需要的话，在较低速度和零速度之间以及较高速度和零速度之间的循环也是 允许的。对于单速风扇而言，风扇处于全速位置的时长，或者对于双速风扇而言，风扇处于 较高速度位置的时长，由温度要求和舒适度级别来确定，而循环速率主要由风扇组件的可靠性要求和温度变化容许带来确定。此外，无需进行频繁的循环，因为制冷系统热惯性会补 偿风扇速度的突然变化。而且，在脉冲宽度调制信号的开启和关闭之间，不必将风扇带至完 全停止状态，因为机械惯量会允许后续循环中有更温和的启动。本发明的这些特征和其它特征从下文的说明和附图中能够得到最好的理解，以下 为附图的简要描述。
图1示出了包含了本发明的热泵的示意图。图2示出了单速风扇的循环序列。图3示出了双速风扇的循环序列。
具体实施例方式图1示出了制冷系统20，其包括的压缩机22将制冷剂输送到排出管线23，并经过 四通阀24(如果热泵仅专门用于加热应用，则不需要四通阀)到达室内换热器26。在室内 换热器26的下游，制冷剂经过膨胀装置28，然后到达室外换热器30。室外换热器30设置 有风扇32，用于使空气移动越过室外换热器30的外传热表面。在室外换热器30的下游，制 冷剂再次经过四通阀24，并进入吸入管线33，其将制冷剂送回到压缩机22中。图1中所示 的制冷系统20处于加热工作模式下。可以通过切换四通阀24并将制冷剂从排出管线23 首先运送到室外换热器30，经过膨胀装置28，然后将制冷剂从室内换热器26送回到吸入管 线33，来将制冷系统20改动到空气调节冷却工作模式下。然而，本发明涉及的是当制冷系 统处于加热工作模式时特别适用的改进。图1中热泵20的示意图为基本示意图，如本领域 的普通技术人员所知的，其可以通过添加若干增强特征和各种选项来得到改进。所有这些 设计都落入本发明范围内并可受益于本发明。如图1所示，空气移动装置，例如风扇34，使空气移动越过室内换热器26并进入 待调节的环境36中。在加热工作模式下，换热器26履行冷凝器(或气体冷却器，针对跨临 界应用)功能。有时(例如，在较低环境温度下或者在已调节空间中有高的加热负荷需求 时)，换热器26所提供的排热能力不足以充分地加热标称体积的由风扇34所驱动的越过换 热器26的外传热表面并进入室内环境36中的空气。在这样的情况下，室内空气流达不到 所期望的温度，给处于室内环境36中的人造成所谓“冷吹”的不舒适条件。控制器38(其可 为独立控制器或制冷系统控制器)设置有来自温度传感器49的反馈通信回路并能够使室 内风扇34工作在脉冲宽度调制模式下。因此，控制器38可探测出正被输送到室内环境36 中的空气低于所期望的温度。在这种情况下，控制器38可用于向室内风扇34的马达提供 脉冲宽度调制控制，使得由室内风扇34供应给已调节环境36的空气的平均体积减小。当 空气的平均体积减得足够小，由室内换热器26所排出的热足以将该减小了体积的空气加 热到处于已调节环境36中的人所期望的温度。如已知的，所期望的温度可由恒温器50来 设定。可替代地，恒温器50可被用作控制器30的反馈装置。通过使用脉冲宽度调制控制，室内风扇34的单速马达在“开”和“关”(或完全接 合和完全脱离)的位置之间快速地循环。在双速风扇的情况下，室内风扇的马达可在其较 高速度和较低速度的位置之间快速地循环，也可在较低速度位置和“关”位置之间以及较高速度位置和“关”位置之间快速地循环。在任一种情况下，输送到环境36中的空气的体积被精确地调节，使得由室内换热器26所排出的热足够将该调节后的空气体积加热至所期 望的温度。如上文所提到的，当使用多速风扇马达时，脉冲宽度调制循环可在任何速度之间 执行，包括零速度。建议在加热工作模式下，采用脉冲宽度调制方法来控制室内风扇34，以精确地调 节输送到室内环境36中的已调节(已加热)空气的温度。这种控制是直接的，不需要附加 构件。循环频率由室内风扇组件的可靠性要求和温度变化容许量要求来确定。在每个速度 位置处的时长由所需的空气温度值和要达到的舒适度级别以及效率方面的考虑所限定。将 不需要且要避免频繁的循环，因为制冷系统热惯性使工作参数的剧烈变化平滑化并补偿突 然的陡直峰谷。对于单速风扇，可在零速度和全速度之间执行循环；对于双风扇速度风扇， 可在较低速度位置和较高速度位置之间，以及可在较低速度位置和“关”位置之间以及较高 速度位置和“关”位置之间执行循环。多速风扇提供更高的灵活度和精确控制。最后，当脉 冲宽度调制信号被开启和关闭时，室内风扇的机械惯量可帮助室内风扇连续旋转(虽然以 持续减小的速度)，以允许后续循环中有更温和的启动。图2是供应给已调节空间的空气的温度与时间之间的示例关系图，这是针对制冷 系统的，在该制冷系统中，可以将室内风扇马达操作至单一的全速度，即在“开”或完全接合 的位置；也可以操作至零速度，即在“关”或完全脱离的位置。如可以看到的，开始时，室内 换热器不能向供应给已调节环境的标称体积的空气提供足够量的热，实际温度低于所期望 的温度，引起“冷吹”条件。同样，如可以看到的，当对室内风扇引入脉冲宽度调制控制时， 室内风扇马达开始在全速度(或“开”位置)和零速度(或“关”位置)之间循环，减少了 供应给已调节环境的空气的时间平均量。结果，当脉冲宽度调制循环参数被调节到正确的 值，实际供应空气的温度升高，并接近和达到所期望的温度。类似的，图3示出了另一个实施例，其中，风扇马达可被操作至两种速度并可通过 脉冲宽度调制控制在较高速度位置和较低速度位置之间循环，以及在较低速度位置和“关” 位置之间、在较高速度位置和“关”位置之间循环。作为一个实例，这里，风扇在较低速度位 置和较高速度位置之间循环。再一次，采用这种布置，实际供应空气的温度升高了并很快接 近所期望的温度。必须注意，虽然在图2和图3的实施例中为脉冲宽度调制控制使用了方形波形，但 其它的波形也是可行的并属于本发明的范围。例如，梯形、三角形、圆方形或任何其它波形 可作为替代使用。虽然公开了本发明的优选实施例，但本领域的普通技术人员将认识到，可在本发 明的范围内进行一定的修改。为此，应该研读下面的权利要求以确定本发明的真正范围和 内容。
权利要求
一种热泵，包括压缩机，用于压缩制冷剂并将该制冷剂输送到下游的室内换热器，所述室内换热器设置有空气移动装置，用于使空气移动越过所述室内换热器并进入待调节的环境中，制冷剂从所述室内换热器流经膨胀装置，然后经过室外换热器，制冷剂从室外换热器返回到压缩机中；以及控制器，控制用于所述室内换热器的所述空气移动装置，所述控制器提供脉冲宽度调制信号，以便在已经确定由所述室内换热器所排出的热不足以将标称体积的空气加热至所期望的温度时，调节由所述空气移动装置移动越过所述室内换热器的空气的时间平均体积。
2.权利要求1的热泵，其中，当热泵在加热模式下工作时，四通阀选择性地将制冷剂从 所述压缩机运送到所述室内换热器，以及当热泵在冷却模式下工作时，运送到所述室外换 热器。
3.权利要求1的热泵，其中，所述空气移动装置为风扇。
4.权利要求1的热泵，其中，用于所述空气移动装置的马达为单速马达，所述脉冲宽度 调制控制使马达快速地循环。
5.权利要求4的热泵，其中，所述脉冲宽度调制控制使马达在“开”位置和“关”位置之 间快速地循环。
6.权利要求5的热泵，其中，用于所述“开”位置的时长由温度要求和效率考虑中的至 少一个来确定。
7.权利要求1的热泵，其中，用于所述空气移动装置的马达为双速马达，所述脉冲宽 度调制控制使该双速马达在较高速度和较低速度、较低速度和“关”位置、以及较高速度和 “关”位置的至少一种之间快速地循环。
8.权利要求7的热泵，其中，在每个速度位置处的时长由温度要求和效率考虑中的至 少一个来确定。
9.权利要求1的热泵，其中，用于所述空气移动装置的马达为多速马达，所述脉冲宽度 调制控制使该多速马达在包含马达“关”位置在内的多个速度之间快速地循环。
10.权利要求9的热泵，其中，在每个速度位置处的时长由温度要求和效率考虑中的至 少一个来确定。
11.权利要求1的热泵，其中，待调节的环境中设置有温度传感器，用于感测正被输送 到该环境中的空气的温度，所述感测的温度被提供给所述控制器，使得所述控制器能够通 过利用所述脉冲宽度调制技术来调节移进该环境中的空气的时间平均体积，以使所感测的 温度匹配至所期望的温度。
12.权利要求1的热泵，其中，当所述热泵在亚临界区域中工作了至少一部分时间时， 所述室内换热器为冷凝器。
13.权利要求1的热泵，其中，当所述热泵在跨临界区域中工作了至少一部分时间时， 所述室内换热器为气体冷却器。
14.权利要求1的热泵，其中，脉冲宽度调制循环速率由空气移动装置的可靠性要求、 温度变化容许带要求和效率考虑中的至少一个来确定。
15.权利要求1的热泵，其中，脉冲宽度调制控制使所述空气移动装置在零速度或接近零速度和非零速度之间循环，当空气移动装置仍在运动中时，随后的循环就启动。
16.一种操作热泵的方法，包括以下步骤(1)压缩制冷剂并将该制冷剂输送到下游的室内换热器，所述室内换热器设置有空气 移动装置，用于使空气移动越过所述室内换热器并进入待调节的环境中，制冷剂从所述室 内换热器流经膨胀装置，然后经过室外换热器，制冷剂从室外换热器返回到压缩机中；以及(2)控制用于所述室内换热器的所述空气移动装置，通过提供脉冲宽度调制信号，以便 在已经确定由所述室内换热器所排出的热不足以将标称体积的空气加热至所期望的温度 时，调节由所述空气移动装置移动越过所述室内换热器的空气的时间平均体积。
17.权利要求16的方法，其中，当热泵在加热模式下工作时，四通阀选择性地将制冷剂 从所述压缩机运送到所述室内换热器，以及当热泵在冷却模式下工作时，运送到所述室外 换热器。
18.权利要求16的方法，其中，所述空气移动装置为风扇。
19.权利要求16的方法，其中，用于所述空气移动装置的马达为单速马达，所述脉冲宽 度调制控制使马达快速地循环。
20.权利要求19的方法，其中，所述脉冲宽度调制控制使马达在“开”位置和“关”位置 之间快速地循环。
21.权利要求20的方法，其中，用于所述“开”位置的时长由温度要求和效率考虑中的 至少一个来确定。
22.权利要求16的方法，其中，用于所述空气移动装置的马达为双速马达，所述脉冲宽 度调制控制使该双速马达在较高速度和较低速度、较低速度和“关”位置、以及较高速度和 “关”位置的至少一种之间快速地循环。
23.权利要求22的方法，其中，在每个速度位置处的时长由温度要求和效率考虑中的 至少一个来确定。
24.权利要求16的方法，其中，用于所述空气移动装置的马达为多速马达，所述脉冲宽 度调制控制使该多速马达在包含马达“关”位置在内的多个速度之间快速地循环。
25.权利要求24的方法，其中，在每个速度位置处的时长由温度要求和效率考虑中的 至少一个来确定。
26.权利要求16的方法，其中，待调节的环境中设置有温度传感器，用于感测正被输送 到该环境中的空气的温度，所述感测的温度被提供给所述控制器，使得所述控制器能够通 过利用所述脉冲宽度调制技术来调节移进该环境中的空气的时间平均体积，以使所感测的 温度匹配至所期望的温度。
27.权利要求16的方法，其中，当所述热泵在亚临界区域中工作了至少一部分时间时， 所述室内换热器为冷凝器。
28.权利要求16的方法，其中，当所述热泵在跨临界区域中工作了至少一部分时间时， 所述室内换热器为气体冷却器。
29.权利要求16的方法，其中，脉冲宽度调制循环速率由空气移动装置的可靠性要求、 温度变化容许带要求和效率考虑中的至少一个来确定。
30.权利要求16的方法，其中，脉冲宽度调制控制使所述空气移动装置在零速度或接 近零速度和非零速度之间循环，且当空气移动装置仍在运动中时，随后的循环就启动。
全文摘要
提供了一种热泵制冷系统，该系统对使空气移动越过室内换热器的风扇进行脉冲宽度调制控制。当确定了由室内换热器排出的热不足以加热正在由风扇输送到已调节环境中的那些体积的空气时，通过使用脉冲宽度调制技术中的一种以使室内风扇马达循环以便减小所供应空气的平均体积，来减小供应到已调节环境中的空气的体积。因此，实现了对输送到已调节空间中的空气的温度的精确控制，所输送的空气的温度升高到目标值，从而避免了所谓的“冷吹”条件。
文档编号F25B13/00GK101809380SQ200680056717
公开日2010年8月18日 申请日期2006年12月21日 优先权日2006年12月21日
发明者A·利夫森, M·F·塔拉斯 申请人:开利公司