运行热泵以改善加热的供气温度的装置及方法

专利名称：运行热泵以改善加热的供气温度的装置及方法
技术领域：
本发明总的涉及热泵系统，尤其涉及一种对一给定的所感应的蒸发器环境空气温度，用于升高加热模式的冷凝器气流温度、并同时减小加热模式的冷凝管空气流速的装置及方法。
热泵系用于加热及冷却的致冷系统。热泵系统使用致冷剂，以便在循环回路相对较热的一侧与该回路相对较冷的一侧之间传送热能，从而形成温度下降，其中在相对较热的一侧上，压缩机压缩致冷剂以升高致冷剂的温度，而在相对较冷的一侧上，则允许致冷剂膨胀。由于致冷剂分别与室内及室外空气之间存在着温差的缘故，因此在回路的一侧上将热能加入致冷剂，并在另一侧上将热能从该致冷剂中抽取，以便利用室外空气作为一热能源。
热泵是双向作用的，其中适当的阀以及控制设置可选择地使致冷剂流过室内及室外热交换器，以便室内热交换器在致冷剂循环回路的热侧上用于加热，而在致冷剂循环回路的冷侧上用于冷却。一循环风扇使室内空气通过室内热交换器，并流过通向室内空间的管道。回流管通常从室内空间中抽取空气，并将该空气送回到室内热交换器。同样，一风扇使环境空气通过室外热交换器，并将热量释放到室外空气，或者从室外空气中获取热量。
这些类型的热泵系统只有在致冷剂与相应的热交换器处的空气之间存在足够的温差以维持热能传送的情况下才会运作。当加热模式的蒸发器环境空气(或者室外空气)的温度下降时，流入到冷凝器内的致冷剂的温度也随之下降，并且由冷凝器加热并流出冷凝器的空气的温度也因此下降。当室外空气的温度为50°F时，从冷凝器流出的空气的温度一般已降至98°F或更低，并将随着室外气温的下降而继续下降。人们暴露在98°F以下的输出气流通风(draft)中会感到不舒服，当流出的空气的温度下降时，这种不舒服感会随之增加。此类带来不舒适感的现象通常被称之为“吹冷风(cold blow)”。在吹冷风状态期间，流出的空气的流速越迅速，则这种吹冷风的不舒服感越强烈。
习惯上设计一种热泵系统，该系统主要用作为冷却模式装置，因此将该热泵系统用于其冷却模式运行特性、而并非其加热模式运行的特性最优化。具体地讲，已有技术中的热泵系统的室内热交换器的风扇转速在用作为冷却模式的蒸发器风扇时其性能是最好的，而从系统设计的经济效益以及容量性能来考虑，冷却模式的蒸发器风扇转速的加热性能用于加热模式习惯上被认为是可接受的。
用作为冷却模式的蒸发器风扇的加热模式的冷凝器风扇转速的最优化使得风扇转速通常是固定的，这个转速会产生大于加热模式运行时所必需的气流。已有技术中的热泵系统控制是通过采用一根据加热需要来不时地循环整个系统(压缩机和风扇)、从而将区域内的温度维持在想要的大小上的恒温器来实现的。尤其，当运行在相对较冷的室外温度上时，这些风扇转速引起区域空气的高速循环，并且空气比在较低的冷凝器风扇转速下运行所获得的空气要冷，由此加重了吹冷风的影响或者形成了一种吹冷风状态。由热泵所提供的、用以加热空间的加热容量是充足的，但它被以较低的温度以及感到通风良好的空气速度输送。当室外温度下降并且不需要辅助加热(由于该系统位于热平衡点上方)以满足容量需求时，这个问题会变得更严重。热泵系统容量下降，并且，在固定气流的情况下，供气温度也因此降低，从而增加了所输送的空气的吹冷风影响。
习惯上还设计一种热泵系统室内热交换器的风扇速度以提供至少对室内热交换器管的空气阻力(drag)特性范围所需的空气流动，因此在小于所设计的管道空气阻力最大值的管道空气阻力的情况下，所提供的空气流动通常大于要提供想要的热交换所必需的空气流动。
因此，当室外气温低得足以引起吹冷风状态时，极需升高冷凝器输出空气的温度，并且/或者降低冷凝器输出空气的流速。
用于减轻吹冷风状态的传统装置包括设置在热泵系统的输出空气通道内的、产生电阻热的一辅助加热件。美国专利4,141,408号揭示了这样一种用于升高输出空气的温度的传统装置。该特殊专利提出在室内盘管上设置若干传感器以测定空气离开盘管时的温度。根据由这些传感器所感应到的温度接通及切断诸加热件。在热泵系统中设置诸如辅助加热件额外增加了不必要的开支，并使热泵系统变得复杂。此外，在吹冷风状态辅助热量耗散期间，这些辅助加热件大大增加热泵系统运行成本开支及其能量消耗。
因此，本发明的目的在于通过提供如下的一种系统来克服上述已有技术的不足，该系统对室内空气驱动器进行控制，以便能从热泵中获得最优的舒适性能、同时又使压缩机维持可靠地运行。
简而言之，本发明的目的已由一种以加热模式运行的热泵所实现，该热泵在第一实施例中根据蒸发器环境温度，而在第二实施例中则根据蒸发器环境温度、以及冷凝器空气流速或者冷凝器输出空气温度(两者选一)来控制冷凝器空气流速以及冷凝器输出空气温度。该装置及方法系通过如下办法来进行工作的用设置在蒸发器附近的一传感器来感应蒸发器环境温度，并且当该环境温度低于预示着吹冷风状态的门限值时，由电路装置来确定一修正的冷凝器空气流速、以同时获得较慢的空气流动以及较高的空气温度，从而消除吹冷风状态。该装置及方法也可指令风机以获得所确定的冷凝器气流或者根据电动机类型而确定的风机转速，从而形成目标冷凝器气流或者目标冷凝器输出空气温度。
根据本发明的一个装置实施例，一种以加热模式运行的、具有一室内空气热交换器(air exchanger)和冷凝器的热泵包括一用于使供给空气流过冷凝器的装置(通常为至少一台风机)；以及具有用于测定室外气温(更概括地讲是蒸发器环境温度)的一传感器装置和用于根据该室外气温调节供给空气流过冷凝器时的流速(每单位时间的空气量)的一装置的一恒温器装置，从而确保了一种不吹冷风的状态。
本发明的一个方法实施例包括感应蒸发器环境温度的感应步骤；在给定的蒸发器环境温度上确定与不吹冷风的供气温度或者减轻吹冷风状态的减小的供气流速相一致的一风机供气流动特性的确定步骤；以及将被确定的风机供气流动特性传送至风机的传送步骤。术语“风机供气流动特性”是指用来控制变速风机的风机电动机的特性，包括或者是与电动机类型相一致的电动机转速指令、或者是目标供气流速或风机电动机根据目标流速调节它们的转速。
从以下结合附图阅读了介绍之后，本发明的上述以及其它目的、特点以及优越性将一目了然，其中相同的标号表示同一器件。
为了更好地理解本发明的这些及其它目的，以下将参照附图来详细描述本发明，其中

图1是一热泵压缩机的运行特性曲线图，它是表示一种给定的致冷剂及加热模式的冷凝器空气流速的饱和排出温度-饱和吸入温度的关系曲线。
图2是本发明热泵系统的一较佳实施例的示意图，它包括一室外温度传感器和向冷凝器空气驱动器发信号、以便随着室外气温的变化而调节气流的一电子恒温器。
图3是热泵加热模式的运行特性曲线图，它是表示室外温度-冷凝器输送温度随着冷凝器空气流速而变的关系曲线。
习惯上设计一种其大小可用于在由冷却模式的需要所要求的、以及由高于一般所遭遇的风管阻力所要求的两种速度上运行的热泵室内热交换器风机转速，结果均会带来大于要获得有效的冷凝器热交换所必需的风机转速。此外，在吹冷风以及其它状态下运行的典型的热泵加热模式易于提供(accommodate)较温热的致冷剂温度，这可能是由于气流流过冷凝器热交换器时的流速较慢所引起的，而不会超出致冷剂温度及压力的界限。
已有技术中的热泵系统不具有其大小可用于吹冷风的室外气温的室内热交换器风机转速，并且不会在吹冷风的状态期间引起较弱(lower)的冷凝器气流，即使较弱的气流足以有效并且在安全运行界限的上部区域中通常是可获得的(available)。已有技术中的室内热交换器风机转速可在吹冷风的状态期间降低以提供能有效地解决吹冷风的问题的、更舒适的较弱且较温热的气流，与此同时在冷凝器上进行有效的热交换，并将热量供给至正在加热的区域(enclosure)。
本发明提供一种监视室外气温的方法及装置，当其处于冷得足以引起吹冷风的温度时，减小加热模式的冷凝器风机转速以提供温度较高的通风较缓(lessdrafty)的气流，而该较高的温度包括高得足以终止吹冷风状态的温度。
参阅图1，一种典型的热泵压缩机的运行特性曲线绘出了一条沿x轴的容许压缩机饱和吸入温度对沿y轴的容许压缩机饱和排出温度的包络线102，其中排出温度是指处于压缩机高压侧的饱和致冷剂的温度，而吸入温度是指处于压缩机低压侧的饱和致冷剂的温度。对于一种典型的致冷剂和压缩机，该包络线102描绘了适当地保持压缩机内的气态致冷剂、以便在安装运行界限下运行该压缩机所必需的饱和吸入及排出温度的限值。
绘制在包络线102之中的是用于以已有技术中的典型的冷凝器风机转速运行在加热模式中的一种典型的热泵系统的一种典型已有技术热泵致冷剂吸入温度与排出温度相关的特性曲线，这里的转速为引起425CFM/ton的空气流速104的冷凝器风机转速。本技术领域中众所周知的是，一增加的加热模式的冷凝器风扇转速导致一处于限值之内的、致冷剂流出冷凝器时降低的温度，从而同时降低了致冷剂吸入温度及排出温度。当风扇转速较低时，致冷剂吸入温度对排出温度的曲线对于一给定的室外温度同时具有较高的排出温度和较高的吸入温度，并且该致冷剂吸入温度对排出温度的曲线对于每个排出温度具有较高的吸入温度。
由于传统的冷凝器风机转速是由冷却模式的蒸发器空气流速的需要所确定的，并由于风机转速是为了一种高阻力的室内管结构所确定的，因此一种传统的热泵系统加热模式的冷凝器风机转速的大小一般很容易地高于将导致令人无法接受的过热的致冷剂温度的门限转速。于是，传统的热泵加热模式的冷凝器风机转速通常被减小，而不会超出它们的致冷剂温度及压力的界限。
所绘制的系用于处于较低的冷凝器风扇转速的同一种典型的热泵系统的热泵致冷剂的特性曲线，这里为用于22°F到38°F的吸入温度的283CFM/ton106，所绘制的还有用于仍然处于较低的风扇转速的同一种典型热泵系统的热泵致冷剂的特性曲线，这里为用于-3°F到23°F的吸入温度的212CFM/ton108。可以看到，当这些较低的流速曲线沿着饱和排出温度轴抬升各特性曲线106和108时，典型已有技术热泵具有允许降低加热模式的冷凝器风扇转速、同时将热泵系统运行在位于包络线之中、已有技术的特性曲线104上方、并处于压缩机的安全运行限值之中的饱和排出温度上的上部区域。
参阅图2，本发明的热泵系统200具有一室外气温传感器(或者更概括地讲为一环境温度传感器)205，设置该室外气温传感器是为了感应热泵215的室外空气热交换器225处的环境空气的温度(蒸发器处于加热模式中)。此外，该室外气温传感器205将所感应的室外气温传送至恒温器210，该恒温器210较佳地包括一计算机装置(未图示)，该计算机装置包括一可编程计算机(未图示)、一计算机存储装置(未图示)以及储存在该存储装置中并由可编程计算机执行的一程序，该恒温器指令室内空气热交换器风机电动机，以便通过执行所储存的程序来影响被规定的输出气流。
室外气温传感器205较佳地将所感应的温度转换成数字电信号，该电信号与可编程计算机的输入要求直接相容，但是本发明的热泵系统还可包括用于将温度传感器205的输出电信号转换成与可编程计算机相容的信号的一传统装置。
程序包含一应用程序，该应用程序包括若干程序步骤，这些步骤较佳地用于1)读取所感应的室外气温，2)对照至少一个温度门值来测定所感应的气温，3)根据该温度门值(或若干温度门值)确定所感应的气温适宜的温度范围，4)根据前一步骤所确定的温度范围另外确定所确定的冷凝器气流或者所确定的冷凝器风机转速，以及5)准备一代表来自前一步骤的所确定的冷凝器气流或者风机转速的输出指令信号。
本发明的一实施例可包括一传统的电路而不是计算机装置，该电路感应所感应的室外气温信号，并根据该所感应的室外气温信号以及温度门值准备一代表所确定的冷凝器空气温度流动或者风机转速的输出指令信号。此类非计算机装置工具(implementation)可包括一电路比较器装置，比如数字比较器，它接收与门值量相比较的一所感应的室外气温输入信号，比如所感应的气温信号的数字减小以及一数字化门值。该比较器装置的输出与一特别预定的输出指令相关联，例如借助与各非易失存储器地址相连的一条特殊地址线相关联，以便启动读取各存储器地址的内容作为所指令的输出信号的数字值，各存储器地址容纳着一条特殊指令。
参阅示出应用程序逻辑以及较佳实施例的图3，图中绘出了用于可从康涅狄克州Farmington的CARRIER CORPORATION买到的一种CARRIER型号38YRA024300/FK4CNF1000AFAA热泵的热泵加热模式的冷凝器输出空气温度-室外气温的曲线图。特性曲线302表示处于0°F到60°F范围内的室外温度上的425CFM/ton的冷凝器输出空气流速曲线。要注意的是，425CFM/ton的流速代表已有技术中的一种热泵系统。沿着特性曲线302，在大约50°F的室外温度上，冷凝器输出空气温度(或者供气温度)为98°F，吹冷风的门值，并且在所有低于50°F的室外温度上存在着吹冷风的情况。在30°F的室外气温上，冷凝器的空气温度为90°F，接着在较低的室外气温上，冷凝器的空气温度随着室外气温的降低而连续下降。
特性曲线304表示处于40°F到60°F范围内的室外温度上的283CFM/ton的冷凝器供气流速曲线，以及特性曲线306表示处于10°F到40°F范围内的室外温度上的212CFM/ton的冷凝器供气流速曲线。可以看出，对于由特性曲线304所表示的减小的空气流速，与已有技术的特性曲线302所表示的空气流速所不同的是对于各室外气温有近20°F的冷凝器输出空气温度增量，而对于由特性曲线306所表示的减小得更多的空气流速，则对于各室外气温有近28°F的冷凝器输出空气温度的增量。在大约40°F以上的室外气温范围，对于283CFM/ton的冷凝器输出空气流速不存在吹冷风，而在10°F到40°F的室外温度范围内，对于212CFM/ton的冷凝器输出空气流速则不存在吹冷风。
再次参阅图2，用于CARRIER型号38YRA024300/FK4CNF1000AFAA的较佳的温度门值(或若干门值)为12°F和40°F。在40°F上，供给减小的气流以预防吹冷风状态，所确定的冷凝器空气流速为由描绘在图3中的特性曲线304所表示的283CFM/ton的空气流速，并形成至少大约110°F(参见图3中的特性曲线304)的相当的气流温度，并由被编程的计算机准备一代表283CFM/ton的空气流速的输出指令信号。在40°F到12°F上，所确定的冷凝器空气流速为由描绘在图3中的特性曲线306所表示的212CFM/ton的空气流速，并形成至少大约100°F(参见图3中的特性曲线306)的相当的气流温度，并由被编程的计算机准备一代表212CFM/ton的空气流速的输出指令信号。在低于大约12°F的室外气温上，所确定的冷凝器空气流速系大于212CFM/ton的气流。在低于12°F的室外气温上，由于气流温度接近吹冷风的温度，并且室外气温将接近或者低于热泵安装的热平衡点，因此最好使用一种辅助电加热。
恒温器210将代表着一被指令的冷凝器空气流速的一被适当且常规化地信号调节了的输出信号传送至用于适当地调节供气温度的室内空气热交换器风机电动机系统220。该风机电动机系统以及相关的变速电动机较佳地为美国专利4,978,896号以及5,492,273号中所揭示的、通过根据流过电动机的电流控制变速风机电动机的转速来维持预选的空气流速而与静压无关的类型。美国专利4,978,896号以及5,492,272号中的有关内容援引在此以作参考。因此，根据由所述的本发明的恒温器所确定的流速，由风机电动机来维持所指令的供气流速。
另外，本发明的恒温器可输出一用于风机电动机的风机电动机数字转速指令，用以调节供气流速。该指令输出可包含或者指示(indicate)一电压，一用于脉宽调制电动机的工作循环(duty cycle)，一频率，用于分级电动机(tapped motor)输入的控制切换指令，或者与特定的风机电动机的转速调节装置相一致、通常被转换成与电动机的输入特性相一致的级别及形式的任何其它的输出，其中指令电动机转速根据分析功能或者表格式(tabular)查找装置与一固定的目标空气流速相关。
此外，本发明的热泵可包括一供给源(冷凝器)空气传感器230，也可为一供气流速传感器或者一供气温度传感器，该传感器被设置在冷凝管的出口处，以便相应地感应空气流速或者温度。冷凝器空气传感器230的信号输入至恒温器内，用于根据所感应的供气特性以及目标气流对电动机的转速进行传统的闭环测定。
权利要求
1.在具有一室内空气热交换器的此类热泵中，一种用于当所述热泵以加热模式运行时控制供气温度的装置，所述装置的特性在于用于使供给的空气流过所述室内空气热交换器的空气流动装置；以及具有用于测定室外气温的传感器以及用于根据所述室外气温调节所述供气流过所述室内空气热交换器时的流速的调节装置的恒温器装置；从而确保了一种不吹冷风的状态。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述室外气温包含至少一个温度范围，并且所述调节装置包括对于各所述范围确定一特定的空气流速。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述调节装置包括一可编程计算机以及一程序，所述可编程计算机执行所述程序以进行所述调节。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述空气流动装置包括一风机，所述调节装置包括从所述室外气温来确定所述风机的转速，以及用于输出一具有代表所述风机的所述转速的值的信号的输出装置。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述传感器装置还用于确定由供气温度或者供气速率所构成的供气的流动特性；所述空气流动装置包括一风机；以及所述调节装置包括根据所述供气流动特性来调节流速。
6.一种以加热模式来运行热泵的方法，所述热泵系具有一加热模式的冷凝器变速风机、以及一蒸发器环境温度传感器的类型，所述方法包括以下步骤感应所述蒸发器环境温度的感应步骤；在给定的蒸发器环境温度下确定与不吹冷风的冷凝器输出气温以及用于减轻吹冷风状态的减小的供气流速的至少其中之一相一致的一风机供气流动特性的确定步骤；以及将所述被确定的风机供气流动特性传送至所述风机的传送步骤；从而消除或者减轻所述吹冷风状态。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述被确定的风机供气流动特性包括供气流速和风机转速两者中的一个。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述确定步骤包括确定至少一个温度门值、以及确定用于在高于及低于各所述温度门值的情况下运行的一风机供气流动特性。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述热泵还包括一可编程计算机以及所述计算机响应的一程序，并且所述确定步骤包括执行所述程序用以确定所述风机供气流动特性。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述风机供气流动特性系一风机转速；所述热泵还包括用于感应所述加热模式的冷凝器输出气温的一供气温度传感器；并且还包括下列步骤感应所述供气温度的气温感应步骤；以及所述确定步骤包括执行所述程序，用以根据所述供气温度及所述蒸发器环境温度来确定所述风机转速。
11.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述风机供气流动特性系一风机转速；所述热泵还包括用于感应所述加热模式的冷凝器输出空气流速的一供气流速传感器；并且还包括下列步骤感应所述供气流速的空气流速感应步骤；以及所述确定步骤包括执行所述程序，用以根据所述供气流速及所述蒸发器环境温度来确定所述风机转速。
全文摘要
一种使热泵以加热模式运行的装置及方法根据蒸发器环境温度，或者根据该温度及冷凝器空气流速或者其输出空气温度(两者选一)来控制冷凝器空气流速及其输出空气温度。该装置及方法用传感器感应蒸发器环境温度、并当该温度低于吹冷风状态门限值时由电路装置确定一修正的冷凝器空气流速以获得较慢的气流及较高的气温，从而消除或减轻吹冷风状态；也可指冷风机以获得所确定的冷凝器气流或根据电动机类型而定的风机转速来形成目标值。
文档编号F25B13/00GK1239769SQ99108330
公开日1999年12月29日 申请日期1999年6月3日 优先权日1998年6月3日
发明者小E·L·米尔斯, R·K·沙阿 申请人:运载器有限公司