CN101535740A - 热泵式液体加热器 - Google Patents

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CN101535740A CNA2007800280689A CN200780028068A CN101535740A CN 101535740 A CN101535740 A CN 101535740A CN A2007800280689 A CNA2007800280689 A CN A2007800280689A CN 200780028068 A CN200780028068 A CN 200780028068A CN 101535740 A CN101535740 A CN 101535740A
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Abstract

用来加热液体的热泵式液体加热器，包括：热泵；与热泵作热交换的液体罐，其中液体罐包含液体；及浸没在液体内的至少一个金属冷凝管，此金属冷凝管形成至少一个盘圈。金属冷凝管具有扁的双管结构，且截面由同心椭圆界定，使得同心椭圆的至少一部分彼此接触，因而扁的双管之间的空间最小。热泵包括管套管型热交换器和压缩机，其中管套管型热交换器从由液体罐回流的致冷剂回收热量，并将回收的热量传送到流向压缩机的致冷剂中，从而使致冷剂过热。

Description

热泵式液体加热器
技术领域
本发明涉及热泵式液体加热系统和加热液体的方法。
背景技术
热泵式液体加热器(“HPLH”)利用致冷系统从周围环境萃取热量来加热液体。典型的HPLH系统消耗的能量比普通电阻或气体燃烧器液体加热器减少一半以上。HPLH系统基于逆向致冷循环，其中HPLH系统使用电动压缩机将致冷剂压缩成高压和高温下的液态。高压和高温下的致冷剂将热量传送给液体，然后通过膨胀过程(此时致冷剂的温度和压力降低)形成低温致冷剂。此低温致冷剂通过蒸发器从周围空气吸收热量并转变为气态。气态的致冷剂在压缩机中被再次压缩并继续上述过程。液体被从周围空气传送来的热量和用来使压缩机运转的电能加热，使得HPLH的效率高于100％。
文献中有两种基本类型的HPLH系统：(i)与液体罐一体集成的，和(ii)不带液体罐的可独立使用的。在两类系统中，冷凝盘管或者浸没在罐内的液体中(此时不需要泵)，或者是液体被从罐内抽到热泵冷凝盘管中。倘若HPLH系统失效，性能下降，或对热液体的需求超出该HPLH系统的容量，可将HPLH系统与电气部件或气体加热器等备用加热系统相连接。
带液体泵的HPLH系统增加了成本，使结构复杂，并增加了维修量。由于需要额外的电能使泵运转，它的效率也降低了。与罐做成一体的HPLH系统仅限于新建筑物使用，或替换旧的水加热器罐。有不多几篇关于不用液体泵的可独立使用的HPLH系统的文献(例如，参见美国专利NO.5,946,927和6,233,958)。美国专利NO.5,946,927披露一种冷凝盘管，它从外面缠绕水罐，以将热量传送到罐内的液体。这种系统的制造成本高且从冷凝盘管向液体的热传送效率低，因为冷凝盘管不是与液体直接接触。
美国专利6,233,958描述一种用于民居的可独立使用的热泵水加热器，它具有管套管型圆柱体结构的致冷器组件，使得外圆柱体携带过热的致冷剂，而内圆柱体使致冷剂返回到膨胀过程。此致冷器组件通过罐顶已有的开口插入水罐中。随着致冷剂沿外圆柱体的内表面冷凝，热量从致冷剂传送到水中。这种热泵水加热器在热量向水传送方面受到限制，因为由暴露在水中的圆柱冷凝器所提供的表面积是有限的。这种有限的热传送降低了系统的效率。外圆柱体的直径应小于罐中开口的尺寸。民居水罐内开口的典型尺寸约为3/4英寸，罐的高度一般为3-5英尺左右。因此，最大的热传送面积受到这些尺寸的限制。热泵水加热器的另一个限制是效率降低，因为要加入热致冷剂来加热回流的致冷剂。在回流的致冷剂中得到的热量被浪费掉了。这类热泵水加热器一般适用于低容量的压缩机，但将使典型的民居热泵水加热器的效率大大降低。
因此，需要有高效的HPLH系统，其中液体(如水)可以在较短时间内被加热，而同时减少用来加热液体的能量。另外，需要有这样的HPLH系统，它的安装方便或容易改装到现有的液体罐上，同时减少加热时间和电力消耗。还需要效率增加，同时又能降低与材料和系统安装有关的成本的HPLH系统。
发明内容
按上述目的所提供的加热液体的热泵式液体加热器包括：热泵；与该热泵作热交换的液体罐，该液体罐内包含液体；和浸没在液体内的至少一个金属冷凝管，该金属冷凝管形成至少一个盘圈。
在第二个实施例介绍加热液体的方法。该加热液体的方法包括：通过至少一个金属冷凝管从热泵式液体加热器提供热致冷剂；将热量从热致冷剂传送给液体罐内的液体，把液体加热到由自动调温器控制的预定温度，其中金属冷凝管形成至少一个盘圈。
在第三个实施例介绍用来加热液体的热泵式液体加热器。此HPLH包括热泵；与该热泵作热交换的液体罐，该液体罐内包含液体；和浸没在液体内的至少一个金属冷凝管，该金属冷凝管包含致冷剂并与热泵连接，其中金属冷凝管通过配接组件浸没到液体中，该配接组件包括：固定连接到液体罐中的开口的金属接套；固定连接到该金属接套上的金属管接头；固定连接到该金属管接头的金属管，该金属管适于接纳至少一个冷凝管和/或自动调温器球管。
在另一个实施例中，介绍用来加热液体的热泵式液体加热器，该HPLH包括：热泵；与该热泵作热交换的液体罐，其中液体罐包含液体；浸没在液体内的至少一个金属冷凝管，该金属冷凝管包含致冷剂；及与压缩机流体连通的管套管型热交换器，其中管套管型热交换器从由液体罐回流的致冷剂回收热量，并将回收的热量传送给流向压缩机的致冷剂，从而使所述致冷剂过热。
在另一个实施例中，介绍配接组件。该配接组件包括：固定连接到液体罐中的开口的金属接套；固定连接到金属接套上的金属管接头；固定连接到金属管接头的金属管，该金属管适于接纳至少一个冷凝管和/或自动调温器球管。
在最可取的实施例中，热泵式液体加热器的能源是太阳能。
以下结合附图对本发明各实施例的详细说明，将提供对本发明的本质和范围的较完整的认识。
附图说明
结合附图参照下面对本发明实施例的说明，将会更加明白本发明的上述和其它一些特征和目的，以及实现它们的方式，同时更好地了解本发明本身。附图中：
图1是包括配接器和热泵的HPLH的示意图。
图2是在图1中示意性地示出的配接器的分解图。
图3是金属加热管的示意图。
图4是在图1中示意性地示出的热泵的分解图。
图5是包含太阳能源的HPLH的示意图。
图6A表示按传统方式给HPLH提供太阳能的流程图，而图6B表示按照本发明一个实施例给HPLH提供太阳能的流程图。
图7表示周围温度与热泵水加热系统能量因子的分布图形。
各图中相应的附图标记表示相应的部件。虽然此处举出的示例说明了本发明的实施例，但不能认为下面要公开的实施例是已穷尽的，或者本发明的范围就严格限于所公开的这种形式。
具体实施方式
定义
除非另有说明，本说明书和权利要求书中所用到的以下术语具有以下给定的意义：
本文中所说的“液体”，包括所有等级和类别的水、油、燃料、气体及它们的混合物。在一些优选实施例中，液体是水，它可以是但不限于自来水、硬水、软水、矿物水、纯净水、过滤水、蒸汽-蒸馏水、盐水、淡水、蒸馏水等。
本文中所说的“金属”或“金属的”，包括任何导热金属和/或合金，包括但不限于铝、铜、金、铁、铅、银、钛、锰、锌及其各种合金。本发明中的“金属”或“金属的”元件最好是铜或铜合金。
本文中所说的“压缩机”，包括由任何类型马达驱动的致冷剂压缩装置。
本发明的一些实施例
本发明可克服先有技术的上述各种缺点，其中HPLH是不带液体循环泵的可独立使用的系统或经过改装的系统，而冷凝器是浸没在液体罐中的单管环或多管环。
本发明第一个实施例介绍用来加热液体的热泵式液体加热器，此HPLH包括热泵；与热泵作热交换的液体罐，该液体罐内包含液体；和浸没在液体内的至少一个金属冷凝管，该金属冷凝管形成至少一个盘圈。
在一个优选实施例中，金属冷凝管具有扁的双管结构，其截面由同心椭圆界定，使得同心椭圆的至少一部分相互接触，以使扁的双管之间的空间最小。
金属冷凝管与热泵连接并通过配接组件浸没在液体中。配接组件与液体罐固定连接。配接组件将热泵和液体罐相连。
金属冷凝管是单个连续盘管。金属冷凝管的长度从大约1英尺至约250英尺，更优选在约10至约100英尺左右。金属冷凝管的直径从约0.01英寸至约0.50英寸左右，更优选是约3/16英寸左右。金属冷凝管的厚度约为0.035英寸。金属冷凝管优选用铜制造。
金属冷凝管是柔性的。它的长度和直径可以在预定时间内把液体加热至预定温度。金属冷凝管的表面积可以在预定时间内把液体加热到预定温度。金属冷凝管可具有搅拌器形结构，许多直径较小的冷凝管从该金属冷凝管伸出，这些直径较小的冷凝管形成许多盘圈。
在另一个优选实施例中，热泵包含管套管型热交换器和压缩机，其中管套管型热交换器从由液体罐回流的致冷剂回收热量，并把所回收的热量传送到正流向压缩机的致冷剂，使致冷剂过热。压缩机由太阳能源和/或传统的电源供电。
热泵还包括带旋钮的自动调温器，用户可调节此旋钮以获得预定的液体温度。在液体罐中的液体是水。
本发明的第二个实施例介绍加热液体的方法。该加热液体的方法包括：通过至少一个金属冷凝管从热泵式液体加热器提供热致冷剂；将热量从热致冷剂传送到液体罐中的液体，以把液体加热到由自动调温器控制的预定温度，且其中金属冷凝管形成至少一个盘圈。
在一个优选实施例中，金属冷凝管具有扁的双管结构，其截面由同心椭圆界定，使得同心椭圆的至少一部分相互接触，以使扁的双管之间的空间最小。热泵包含管套管型热交换器和压缩机，其中管套管型热交换器从由液体罐回流的致冷剂回收热量，并把所回收的热量传送到正流向压缩机的致冷剂，使致冷剂过热。压缩机由太阳能源和/或传统的电源供电。热泵还包括带旋钮的自动调温器，用户可调节此旋钮以获得预定的液体温度。
金属冷凝管是单个连续盘管。金属冷凝管的长度从大约1英尺至约250英尺，更优选在约10至约100英尺左右。金属冷凝管的直径从约0.01英寸至约0.50英寸左右，更优选是约3/16英寸左右。金属冷凝管的厚度约为0.035英寸。金属冷凝管优选用铜制造。金属冷凝管是柔性的。它的长度和直径可以在预定时间内把液体加热至预定温度。金属冷凝管的表面积可以在预定时间内把液体加热到预定温度。金属冷凝管可具有搅拌器形结构，许多直径较小的冷凝管从金属冷凝管伸出，这些直径较小的冷凝管形成许多盘圈。金属管最好用铜或铜合金制造。致冷剂可从这组里选择：二氧化碳、氢氟烃、氢氯氟烃。液体罐中的液体是水。
在第三个实施例中，介绍用来加热液体的热泵式液体加热器。此HPLH包括热泵；与热泵作热交换的液体罐，该液体罐内包含液体；和浸没在液体内的至少一个金属冷凝管，该金属冷凝管包含致冷剂并与热泵连接，其中金属冷凝管通过配接组件浸没到液体中，该配接组件包括：固定连接到液体罐中的开口的金属接套；固定连接到金属接套上的金属管接头；固定连接到金属管接头的金属管，该金属管适于接纳至少一个冷凝管和/或自动调温器球管。
在一个优选实施例中，金属冷凝管具有扁的双管结构，其截面由同心椭圆界定，使得同心椭圆的至少一部分相互接触，以使扁的双管之间的空间最小。配接组件被改装在已有的液体罐上和/或空调部件上，以在热泵与已有的液体罐和/或空调部件之间形成基本气密封和液密封的连接。
热泵包含管套管型热交换器和压缩机，其中管套管型热交换器从由液体罐回流的致冷剂回收热量，并把所回收的热量传送到正流向压缩机的致冷剂，使致冷剂过热。
在另一个优选实施例中，压缩机由太阳能源和/或传统电源供电。由太阳光伏板收集的能量是直流(DC)电，它通过充电控制器储存在至少一个可重复充电的电池内，以按需要把DC电从这些至少一个电池中提供给热泵式液体加热器。
在另一个优选实施例中，由太阳光伏板收集的能量是DC电，它通过充电控制器储存在至少一个可重复充电的电池内，以通过换流器把DC电变换成交流(AC)电，并按需要将AC电提供给热泵式液体加热器。热泵还包括带旋钮的自动调温器，用户可调节此旋钮得到预定的液体温度。
金属冷凝管是单个连续盘管。金属冷凝管的长度从大约1英尺至约250英尺，更优选在约10至约100英尺左右。金属冷凝管的直径从约0.01英寸至约0.50英寸左右，更优选是约3/16英寸左右。金属冷凝管的厚度约为0.035英寸。金属冷凝管最好用铜制造。金属冷凝管是柔性的。它的长度和直径可以在预定时间内把液体加热至预定温度。金属冷凝管的表面积可以在预定时间内把液体加热到预定温度。金属冷凝管可具有搅拌器形结构，许多直径较小的冷凝管从金属冷凝管伸出，这些直径较小的冷凝管形成许多盘圈。
致冷剂可以是任何用于传统空调和/或热泵系统中的致冷剂。典型的致冷剂包括二氧化碳、氢氟烃、氢氯氟烃。其它致冷剂例子包括氯二氟甲烷(市售代号R-22)，氯五氟乙烷(市售代号R-502)，二氯二氟甲烷(市售代号R-12)，三氯氟甲烷(市售代号R-11)，三氯三氟代乙烷(市售代号R-113)，四氟乙烷(市售代号R-134a)，二氯三氟乙烷(市售代号R-123)。在最优选的实施例中，致冷剂是二氧化碳。液体罐内的液体最好是水。
按本发明的第四实施例，介绍用来加热液体的热泵式液体加热器，该HPLH包括：热泵；与热泵作热交换的液体罐，其中液体罐包含液体；浸没在液体内的至少一个金属冷凝管，该金属冷凝管包含致冷剂；及与压缩机作流体连通的管套管型热交换器，其中管套管型热交换器从由液体罐回流的致冷剂回收热量，并将回收的热量传送给流向压缩机的致冷剂，从而使致冷剂过热。
热泵包含管套管型热交换器和压缩机，其中管套管型热交换器从由液体罐回流的致冷剂回收热量，并把所回收的热量传送到正流向压缩机的致冷剂，使致冷剂过热。
按照本发明第五实施例，介绍配接组件。该配接组件包括：固定连接到液体罐中的开口的金属接套；固定连接到金属接套上的金属管接头；固定连接到金属管接头的金属管，该金属管适于接纳至少一个冷凝管和/或自动调温器球管。
金属接套和液体罐内开口的连接基本是气密的。商用小型或大型空调部件包含液体罐，由此形成金属接套和液体罐开口之间的改进型连接。
现在来看附图，图1为按本发明一个实施例的热泵水加热系统的示意图。此热泵水加热系统包括具有压缩机的热泵5，带风扇3的蒸发器2，膨胀装置4，自动调温器控制器6，和自动调温器旋钮7。
当用户调节自动调温器旋钮7时，被压缩的致冷剂9以由自动调温器控制器6控制的温度流出压缩机1。被压缩的致冷剂9流出压缩机1时的压力和焓很高。然后致冷剂在高压下流经单盘绕式冷凝管16进到液体罐10中。液体(如水11)流入液体罐10，并与流经单盘绕式冷凝管16(它浸没在液体罐10内的液体中)的被压缩的致冷剂9交换热量。在液体罐10中，被压缩的致冷剂9将热量传送到液体内，且经回流单盘绕式冷凝管15流出液体罐10，此时已是被冷却了的致冷剂8。已被冷却的致冷剂8处在低焓和高压状态。盘绕式冷凝管15和16形成线盘17，该线盘17保持浸没在液体中。
冷的液体11进入液体罐10并被盘绕式冷凝管(在图1中的15、16和17)中的过热致冷剂加热。热水12通过配接组件13从液体罐10中流出，该配接组件13由金属管接头19固定连接到液体罐10的开口(参见图2的配接组件13上更清楚的描述)。大部分热量在液体罐10底部从单盘绕式凝汽管16传出，其中冷液体倾向于下降到底部，而已被加热的液体倾向于上升到液体罐10的顶部，因而在液体罐10内提供比类似的传统HPLH系统更均匀的液体温度。这个均匀化过程提高了HPLH的热效率。
致冷剂8的温度比罐中液体的温度高，且其热量在经过膨胀装置4中的膨胀过程之前就可以回收，这使得效率较高。致冷剂8通过管套管型热交换器(也叫做预热器)47(见图4)，在那儿来自回流致冷剂8的热量被传送给致冷剂43(见图4)并传到压缩机。
图2表示示于图1的配接组件13的分解图。配接组件13是管接头，它将热泵5和液体罐10相连。配接组件13也用来让液体12流出液体罐10。配接组件13还用来让致冷剂流过盘绕式冷凝管15和16。此外，配接组件13有利于自动调温器浸没球管14(也示于图1)的固定，使球管可以浸没到液体罐10内的液体中，以准确而有效地监控液体的温度。
配接组件13通过螺纹接头将金属接套23固定连接到液体罐10的螺纹孔内。金属管接头19被螺纹连接在金属接套23上。金属管13或者被螺纹连接或者是被压配在金属管接头19上，视金属管接头的类型而定。金属管23有两个孔22，盘绕式冷凝管15和16可以通过这两个孔22。在该两个孔22处形成气密焊接，使配接组件基本是气密的。管13的一端有个开口槽21。
带自动调温器球管14的热偶毛细管20被插在槽21内。由于自动调温器球管14通常相当大且不能弯曲，由槽21帮助自动调温器球管插到液体罐10内。具有可焊接的凹杯形口和凸螺纹的金属管接头24与管13相连接。接头24的杯形口被焊到管13上，使槽21密封。配接组件13通过装上盘绕式冷凝管和自动调温器球管14而提高了HPLH系统的效率。另外，包含盘绕式冷凝管15、16、17和球管14的配接组件13可以插入液体罐内的螺纹孔中，而不需要移动热泵5。
在另一个实施例中，自动调温器可以是非浸没型自动调温器，它像传统的电气水加热器罐一样，从外面安装在液体罐10的壁上。
盘绕式冷凝管15、16和17可由任何金属制造。在另一个实施例中，盘绕式冷凝管15、16和17可由铜或铜合金制造。盘绕式冷凝管可由单管形成盘管或多管形成盘管构成。每个盘绕式冷凝管可由单壁管或者双壁管构成，后者可以防止在单管结构中由于破裂而让致冷剂污染液体罐10内的液体。
图3是双壁结构中盘绕式冷凝管15、16和17的示意图。某些建筑规范可能要求双壁盘绕式冷凝管15、16和17。在一个优选实施例中，金属管15和16由同心的多金属管构成，以避免致冷剂污染液体。同心的多金属管的截面示于图3(a)。其中外管32包围着内管33。在外管32和内管33之间形成间隙35，其中充入空气。处在间隙35内的空气将热量从内管33传到外管32。由于间隙35内的空气作为内管33和外管32间的导热媒介，有些热量损耗在加热间隙内的空气上。此外，空气导热没有金属好，故加热液体的效率降低。
在更可取的实施例中，金属管15和16中的每一个都由同心的多金属管组成，其中同心的多金属管示于图3(b)和(c)。图3(b)显示扁管，而图3(c)为图3(b)中扁管的截面。图3(a)所示的截面显示两个同心圆，其中两个同心圆之间的间隙在两个同心圆的整个圆周上基本相同。但是，图3(c)中所示的截面显示两个同心椭圆，其中两个同心椭圆间的间隙是这样的：在仍然提供双管结构的同时两椭圆间的间隙大幅度减小。图3(c)中例示的椭圆双管结构不仅能防止任何被泄漏的致冷剂对液体的污染，而且比图3(a)所示的双管结构导热更有效，因为图3(b)和(c)中同心管之间间隙内的空气量最少。
HPLH的冷凝器采用本发明的配接组件固定在液体罐上。配接组件安装在罐盖内已有的孔中，罐盖最好是在热液体出口上。配接组件也可以配装在侧壁的孔内或液体罐上的其它开口上。配接组件的底部被拧在液体罐的孔中，而其顶部固定连接在热液体出口管上。
如上所述，冷凝器是单个连续管或多环管，后者在中间急剧弯曲形成环。冷凝管的表面积由它的长度和直径决定，可以将它设计成在预定时长内把液体罐中的液体加热到预定温度。环状冷凝管的两端连同浸没的热偶管一起通过配接组件并从配接器壁伸出。
另外，可以根据压缩机容量把冷凝管的长度设计成任何预定长度。压缩机的容量越大，冷凝管的长度越长以使从过热致冷剂至液体罐中液体的热传送最大化。冷凝管的直径设计成有足够的柔性，以便容易插入罐内。金属冷凝管具有任何尺寸的长度，直径和壁厚。金属冷凝管具有的长度和直径可以在预定时段内将液体加热到预定温度。金属冷凝管的表面积可以在预定时段内将液体加热到预定温度。
冷凝管突向液体罐的底部，使当较低温度下的液体被加热变成热液体时，热液体升向液体罐的顶部。这个过程有助于液体罐内的液体温度变均匀，并改善HPLH的效率。
冷凝管绕成盘状以形成线盘。把冷凝管绕成线盘状的主要目的是为了有助于把冷凝管从液体罐取走，并因此有助于从液体罐拆卸热泵。可以将冷凝管线盘在顶部捆在一起，以便从罐盖的孔中拉出。线盘朝着液体罐的底部是散开的，以通过使冷凝器在液体罐中的液体内暴露较大的表面积而改善热传送。
传统的长度短而直的即未绕成线盘状的冷凝管，很难在支持HPLH的同时通过孔插入液体罐中。相反，本发明的长冷凝管线盘容易通过液体罐内的孔插入液体罐内，因为在将已绕成线盘状的冷凝管插入液体罐的同时，可以把HPLH置于任何方便的表面上。一旦已绕成线盘状的冷凝管插入液体罐内，则可将HPLH置于任何希望的位置，例如液体罐的顶部。
图4为示于图1的热泵5的分解图。回流的致冷剂8被从液体罐10带到膨胀装置4。回流致冷剂8在流出管套管型热交换器47后通过膨胀装置4。膨胀装置4使致冷剂膨胀并降低其压力。膨胀装置4可以是毛细管或自动膨胀阀(“AEV”)，或温度调节装置膨胀阀(“TEV”)，或电力或者电子膨胀阀(“EXV”)，或现有的其它类型的膨胀装置。
在膨胀之后，致冷剂流入装备了风扇3的蒸发器2。并在高焓和低压力状态下流出。在蒸发器2中，致冷剂从周围空气吸收热量并将致冷剂加热。风扇3帮助周围空气流动，使周围空气与通过蒸发器2的致冷剂交换热量。周围空气和蒸发器2内的致冷剂之间的温度差，在致冷剂流过蒸发器2时，使热能从周围空气传送到致冷剂。风扇3使周围空气吹过蒸发器2，以保持温度差并使致冷剂蒸发。致冷剂44和45在管套管型热交换器47内经过额外的过度加热，然后重新进入压缩机1，完成整个循环。
压缩机1的加热能力定义为压缩机1加热液体罐10内的液体11的能力。在另一个实施例中，热泵5可包含辅助电加热器，它进一步加热从液体罐10出来的液体12，以增加热泵5的加热能力。此辅助电加热器可安置在从液体罐10出来的液体流动线路上的任何位置。辅助加热元件也可以是典型电液体罐中已有的元件，或者可以把新的元件装在罐体内任何地方。当热泵5的加热能力不满足要求时，可以把辅助电加热器启动以进一步加热流出液体罐10的液体12。对于结冰的冷空气情况，也可以利用冷温自动调温器激活辅助电加热器。或者当需要过量的热液体时将它激活。
除了图1对热泵5的说明之外，为提高本发明HPLH的效率而增加一个热回收热交换器47(也叫做预热器)。这样做的原因是因为在回流的致冷剂8中大部分潜热一般都在膨胀过程中损失掉，但是根据本发明一个实施例，在回流致冷剂8中的主要部分潜热被回收并作为“过度热量”被传送给致冷剂41。这些额外的热量的回收和利用增加了本发明HPLH的效率。热交换器47可以是管套管型热交换器，而且可以用该系统中任何其它的热交换器代替。
在蒸发器2中，致冷剂从周围空气吸收热量而将致冷剂加热。风扇3帮助周围空气流动，使得周围空气按大家知道的方式与通过蒸发器2的致冷剂交换热量。周围空气和蒸发器2内的致冷剂之间的温度差，在致冷剂流过蒸发器2时，使热能从周围空气传送到致冷剂。风扇3使周围空气吹过蒸发器2，以保持温度差并使致冷剂蒸发。致冷剂44从蒸发器2内的空气中萃取热量，然后重新进入压缩机1，在这之前通过热交换器43将致冷剂过度加热至过热的致冷剂45。
图5举出本发明的优选实施例，它显示包括太阳能源的热泵水加热系统。上面已参照图1说明了各种元件和功能，只是图5中电能输入来自太阳能而不是传统的电源。太阳能从储存太阳能的储能电池55输入压缩机1。太阳光伏板51收集太阳能，这样收集到的太阳能通过连线57传送到储能电池的太阳充电控制器53。HPLH可以直接靠电池运行或者通过交流电变换器运行，取决于HPLH各元件对电源的要求。
可以利用太阳能为辅助电加热器，预热器，和/或任何其它需要电的部件供电。业内已熟知通过使用光伏阵列，被动太阳能吸收器，太阳炉，带太阳跟踪系统的槽形集中收集器等，将太阳能转变成热或电能的方法。美国专利NO.4,315,163描述一种多能源电力系统，可以将电能提供给包含太阳光伏阵列，电池充电器和DC-AC变换器的房屋。美国专利NO.4,417,157描述一种主动太阳能系统，它包括太阳收集器阵列(用来产生泵和加热液体的能量)、由该阵列供电的泵装置(使已加热的液体循环)和盛装已加热液体的储能罐。类似地，美国专利NO.5,293,447描述一种利用太阳能加热水的系统，它包括光伏阵列、水加热器和控制器。还有建议让系统同时把太阳能转变为热能和电能的。例如，美国专利NO.4,392,008描述一种平板形太阳热收集器，它处在光伏电池平板安装阵列的下方并与后者相隔一定传热距离。美国专利NO.5,522,944描述一种装置，它具有光伏电池阵列和与该阵列处在相同平面上的多个相互连接的热收集管。
图6A表示传统上如何把太阳能提供给HPLH的流程图。首先，太阳光伏板以直流电的形式收集太阳能，然后把这些直流电直接提供给HPLH。图6B表示按本发明一个实施例将太阳能提供给HPLH的流程图。太阳能被太阳光伏板以直流电的形式收集。直流电被储存在贮电装置(如利用充电控制器的可重复充电电池或这类电池的组合)内。然后可把储存在电池或电池的组合内的直流电按需要直接提供给HPLH，或者在按需要提供给HPLH之前用转换器先把直流电转换为AC电。利用电池或电池组合来储存收集的太阳能，可使HPLH基本上总有电提供给HPLH。另外，当HPLH不用时，电池或电池组合可以储存所收集的能量，直至HPLH再次使用。类似地，所储存的太阳能可使HPLH在大负荷时基本上能平稳工作。
另外，HPLH的加热效率由于回收从冷凝器回流的致冷剂中的热量而得以提高。从冷凝器回流的致冷剂的温度与液体罐中的温度相同或更高。传统上，回流致冷剂内的热量在膨胀过程中被损失掉。但是，本发明的HPLH利用热交换器(即预热器)或其它任何类似的热交换器回收此热量，这时回流致冷剂的热量被传送给流向压缩机的致冷剂。
此外，本发明一个实施例介绍一种改装方法。在此改装方法中，本发明的HPLH可以与市售小型空调(加热或冷却)装置一起使用。进行这种改装时，首先从空调装置中拆除蒸发器盘管或冷凝器盘管，并把剩下的盘管用作该HPLH的蒸发器。其次，将盘绕式冷凝管一端连接到压缩机高压开口上，而冷凝管的另一端连接到系统已有的膨胀装置上，使得冷凝管的中间部分被插入液体罐内并浸没在液体中。第三，膨胀装置的另一端可以连接到带风扇的蒸发器上。第四，蒸发器另一端可连接到压缩机的低压端，使系统成为闭合循环。第五步骤作为可选项，可以把冷温自动调温器开关拆掉，而将高温自动调温器开关加入回路中，起系统的全部开/停开关的作用。自动调温器可以是浸没型的，或者是固定在罐外壁上的传统自动调温器。可以将空气过滤器固定在经过改装的HPLH的空气入口的通气孔上。
在另一个实施例中，本发明的HPLH可用来改装到商用空调机上。带压缩机，膨胀装置和风扇的冷凝器部件被用作商用HPLH的蒸发器。管的连接被改成使冷凝管的一端与压缩机的高压开口相连。冷凝管穿过液体罐的开口并浸没在液体中。冷凝器的另一端与系统已有的膨胀装置相连接。该膨胀装置连到带风扇的蒸发器的一端。蒸发器的另一端与压缩机的低压端连接，使系统成为闭合循环。把冷温自动调温器开关拆掉，而将高温自动调温器开关加入回路中，起系统的全部开/停开关的作用。自动调温器最好是浸没型。可以把空气过滤器固定在系统空气入口的通气孔上。
虽然包围HPLH的空气通常包含足够的热量能让HPLH有效地运行，但偶尔会有湿球管的空气温度接近冰点的情形，此时开始在蒸发器上形成霜。在此情况下HPLH可能变得效率低。在一个实施例中，可以用电加热器加热流向蒸发器的空气以除霜，这样基本上消除了由霜造成的阻塞。在另一个实施例中，可以直接用电加热器为蒸发器除霜，并基本上消除由霜造成的任何阻塞。在另一个实施例中，可以在HPLH的蒸发器上增添低温自动调温器，让自动调温器检测蒸发器上霜的形成，并在检测到霜时自动启动控制装置，通过接通电加热器为蒸发器除霜。类似地，当自动调温器检测到已完成除霜时，该控制装置可关掉加热器。可参阅例如美国专利NO.4,517,807，以获得利用自动调温器和控制装置给蒸发器除霜的进一步信息。
此外，HPLH可改善加热效率，节省空间，降低系统和安装成本，不需要液体循环泵及其控制器，减少系统中需维护的部件，且容易安装。HPLH可以添加到现有的液体罐上，也可以与新的液体罐做成一体。另外，改变冷凝器的长度可帮助HPLH适用于小型民居及大型商业应用。
所有上述各HPLH实施例可进一步扩展到使用配接器来引导输入口空气流和输出口冷空气流到所希望的空间，以调节空气温度。
所有上述各HPLH实施例包含排出孔和将冷凝液从蒸发器排除的管配件。
下面的表1提供利用传统电力为图1所示的加热泵系统供电以用于加热水时该加热泵系统的性能数据：
 
周围温度(℉) 能量因子(“EF”)
30 1.86
32 1.93
68 3.00
69 3.13
71 3.35
78 3.47
80 3.67
83 3.67
88 3.80
致冷剂是R22。上表中的能量因子(“EF”)定义为热输出与能量输入之比除以普通电液体加热器效率因子。普通电阻水加热器效率因子为0.86。上述数据的分布图形示于图7，图中绘出了趋向线。EF越高，水加热器越有效，因此，图7显示水加热器的效率随着水的周围温度的增加而提高。
虽然本发明是参照优选实施例来说明的，但本专业技术人员明白，可以做各种各样的更改，而且可以用等效物替代其元件而不超出本发明的范围。另外，可以作许多修改让特定情况或材料适合于本发明的内容而不超出本发明的基本范围。因此，本发明并不限于把所公开的特定实施例，这些特定实施例只是视为实施本发明的最佳模式，本发明将包括属于下面的权利要求书范围内的所有实施例。
所有上述参考材料都在相同的程度上被整体引用到这里作参考，如同每一个单独的参考材料被具体而独立地整体引用到这里作参考一样。

Claims (68)

1.用来加热液体的热泵式液体加热器，包括：
热泵；
与热泵作热交换的液体罐，其中液体罐包含液体；及
浸没在液体内的至少一个金属冷凝管，此金属冷凝管形成至少一个盘圈。
2.如权利要求1的热泵式液体加热器，其中所述金属冷凝管具有扁的双管结构，且截面由同心椭圆界定，使得该同心椭圆的至少一部分彼此接触，因而扁的双管之间的空间最小。
3.如权利要求1的热泵式液体加热器，其中所述金属冷凝管与所述热泵连接，并通过配接组件浸没在液体内。
4.如权利要求3的热泵式液体加热器，其中所述配接组件固定附接到所述液体罐。
5.如权利要求4的热泵式液体加热器，其中所述配接组件连接所述热泵和所述液体罐。
6.如权利要求1的热泵式液体加热器，其中所述金属冷凝管是单个连续盘管。
7.如权利要求6的热泵式液体加热器，其中所述金属冷凝管具有约1英尺至约250英尺的长度。
8.如权利要求7的热泵式液体加热器，其中所述金属冷凝管具有约10英尺至约100英尺的长度。
9.如权利要求6的热泵式液体加热器，其中所述金属冷凝管具有约0.01英寸至约0.50英寸的直径。
10.如权利要求9的热泵式液体加热器，其中所述金属冷凝管具有约3/16英寸的直径。
11.如权利要求6的热泵式液体加热器，其中所述金属冷凝管具有约0.035英寸的厚度。
12.如权利要求6的热泵式液体加热器，其中所述金属冷凝管用铜制造。
13.如权利要求6的热泵式液体加热器，其中所述金属冷凝管是柔性的。
14.如权利要求6的热泵式液体加热器，其中所述金属冷凝管具有在预定时段内把液体加热到预定温度的长度和直径。
15.如权利要求6的热泵式液体加热器，其中所述金属冷凝管具有在预定时段内把液体加热到预定温度的表面积。
16.如权利要求6的热泵式液体加热器，其中所述金属冷凝管具有搅拌器状结构，从该金属冷凝管伸出多个小直径冷凝管，这些小直径冷凝管形成许多盘圈。
17.如权利要求1的热泵式液体加热器，其中所述热泵包含管套管型热交换器和压缩机，其中所述管套管型热交换器从由液体罐回流的致冷剂回收热量，并将回收的热量传送到流向压缩机的致冷剂，使致冷剂过热。
18.如权利要求17的热泵式液体加热器，其中所述压缩机由太阳能源和/或传统电源供电。
19.如权利要求1的热泵式液体加热器，还包括带旋钮的自动调温器，其中所述旋钮由用户调节以获得预定的液体温度。
20.如权利要求1的热泵式液体加热器，其中液体是水。
21.加热液体的方法，包括：
通过至少一个金属冷凝管提供来自热泵式液体加热器的热致冷剂；
将从热致冷剂来的热量传送给液体罐内的液体，使液体被加热至由自动调温器控制的预定温度，及
其中金属冷凝管形成至少一个盘圈。
22.如权利要求21的方法，其中金属冷凝管具有扁的双管结构，且截面由同心椭圆界定，使该同心椭圆的至少一部分彼此接触，因而扁的双管之间的空间最小。
23.如权利要求21的方法，其中热泵包含管套管型热交换器和压缩机，其中管套管型热交换器从由液体罐回流的致冷剂回收热量，并将回收的热量传送到流向压缩机的致冷剂，使致冷剂过热。
24.如权利要求23的方法，其中压缩机由太阳能源和/或传统电源供电。
25.如权利要求21的方法，还包括带旋钮的自动调温器，其中所述旋钮由用户调节以获得预定的液体温度。
26.如权利要求21的方法，其中所述金属冷凝管是单个连续盘管。
27.如权利要求26的方法，其中所述金属冷凝管具有约1英尺至约250英尺的长度。
28.如权利要求27的方法，其中所述金属冷凝管具有约10英尺至约100英尺的长度。
29.如权利要求26的方法，其中所述金属冷凝管具有约0.01英寸至约0.50英寸的直径。
30.如权利要求29的方法，其中所述金属冷凝管具有约3/16英寸的直径。
31.如权利要求26的方法，其中所述金属冷凝管具有约0.035英寸的厚度。
32.如权利要求26的方法，其中所述金属冷凝管用铜制造。
33.如权利要求26的方法，其中所述金属冷凝管是柔性的。
34.如权利要求26的方法，其中所述金属冷凝管具有在预定时段内把液体加热到预定温度的长度和直径。
35.如权利要求26的方法，其中所述金属冷凝管具有在预定时段内把液体加热到预定温度的表面积。
36.如权利要求26的方法，其中所述金属冷凝管具有搅拌器状结构，从该金属冷凝管伸出多个小直径冷凝管，这些小直径冷凝管形成许多盘圈。
37.如权利要求21的方法，其中所述金属冷凝管用铜或铜合金制造。
38.如权利要求21的方法，其中致冷剂从以下各组选择：二氧化碳、氢氟烃、氢氯氟烃。
39.如权利要求21的方法，其中液体是水。
40.用来加热液体的热泵式液体加热器，包括：热泵；与热泵作热交换的液体罐，该液体罐内包含液体；和浸没在液体内的至少一个金属冷凝管，该金属冷凝管包含致冷剂并与热泵连接，其中所述金属冷凝管通过配接组件浸没到液体中，该配接组件包括：固定连接到液体罐中的开口的金属接套；固定连接到所述金属接套上的金属管接头；固定连接到所述金属管接头的金属管，该金属管适于接纳至少一个冷凝管和/或自动调温器球管。
41.如权利要求40的热泵式液体加热器，其中所述配接组件固定连接到液体罐上，以在热泵和液体罐之间形成基本上气密封和水密封的连接。
42.如权利要求40的热泵式液体加热器，其中所述金属冷凝管是单个连续盘管。
43.如权利要求40的热泵式液体加热器，其中所述金属冷凝管具有扁的双管结构，且截面由同心椭圆界定，使该同心椭圆的至少一部分彼此接触，因而扁的双管之间的空间最小。
44.如权利要求40的热泵式液体加热器，其中所述配接组件被改装在原有的液体罐和/或空调机上，以在热泵和所述原有的液体罐和/或空调机之间形成基本上气密封和水密封的连接。
45.如权利要求40的热泵式液体加热器，其中所述热泵包含管套管型热交换器和压缩机，其中管套管型热交换器从由液体罐回流的致冷剂回收热量，并把所回收的热量传送到流向压缩机的致冷剂，使致冷剂过热。
46.如权利要求40的热泵式液体加热器，其中压缩机由太阳能源和/或传统电源供电。
47.如权利要求46的热泵式液体加热器，其中太阳能源来自太阳光伏板。
48.如权利要求47的热泵式液体加热器，其中由太阳光伏板收集的功率是直流电，它通过充电控制器储存在至少一个可重复充电电池内，以按需要把储存的直流电从所述至少一个电池提供给热泵式液体加热器。
49.如权利要求47的热泵式液体加热器，其中由太阳光伏板收集的功率是直流电，它通过充电控制器储存在至少一个可重复充电电池内。直流电通过换流器变换成交流电，并按需要将交流电提供给热泵式液体加热器。
50.如权利要求40的热泵式液体加热器，还包括带旋钮的自动调温器，其中所述旋钮由用户调节以获得预定的液体温度。
51.如权利要求40的热泵式液体加热器，其中所述金属冷凝管是单个连续盘管。
52.如权利要求51的热泵式液体加热器，其中所述金属冷凝管具有约1英尺至约250英尺的长度。
53.如权利要求52的热泵式液体加热器，其中所述金属冷凝管具有约10英尺至约100英尺的长度。
54.如权利要求51的热泵式液体加热器，其中所述金属冷凝管具有约0.01英寸至约0.50英寸的直径。
55.如权利要求54的热泵式液体加热器，其中所述金属冷凝管具有约3/16英寸的直径。
56.如权利要求51的热泵式液体加热器，其中所述金属冷凝管具有约0.035英寸的厚度。
57.如权利要求51的热泵式液体加热器，其中所述金属冷凝管用铜制造。
58.如权利要求51的热泵式液体加热器，其中所述金属冷凝管是柔性的。
59.如权利要求51的热泵式液体加热器，其中所述金属冷凝管具有在预定时段内把液体加热到预定温度的长度和直径。
60.如权利要求51的热泵式液体加热器，其中所述金属冷凝管具有在预定时段内把液体加热到预定温度的表面积。
61.如权利要求51的热泵式液体加热器，其中所述金属冷凝管具有搅拌器状结构，从该金属冷凝管伸出多个小直径冷凝管，这些小直径冷凝管形成许多盘圈。
62.如权利要求40的热泵式液体加热器，其中致冷剂从以下各组选择：二氧化碳、氢氟烃、氢氯氟烃。
63.如权利要求40的热泵式液体加热器，其中液体是水。
64.用来加热液体的热泵式液体加热器，包括：
热泵；
与热泵作热交换的液体罐，其中液体罐包含液体；
浸没在液体内的至少一个金属冷凝管，该金属冷凝管包含致冷剂；及
与压缩机流体连通的管套管型热交换器，其中管套管型热交换器从由液体罐回流的致冷剂回收热量，并将收回的热量传送给流向压缩机的致冷剂，从而使致冷剂过热。
65.如权利要求64的热泵式液体加热器，其中热泵包含压缩机，其中管套管型热交换器从由液体罐回流的致冷剂回收热量，并将回收热量传送到流向压缩机的致冷剂，使致冷剂过热。
66.一种配接组件，包括：固定连接到液体罐中的开口的金属接套；固定连接到该金属接套上的金属管接头；固定连接到该金属管接头的金属管，该金属管适于接纳至少一个冷凝管和/或自动调温器球管。
67.如权利要求66的配接组件，其中所述金属接套和所述液体罐中开口之间的连接基本上是气密封的。
68.如权利要求66的配接组件，其中商用小型或大型空调机包含所述液体罐，由此在所述金属接套和液体罐中开口之间形成经过改装的连接。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Open date: 20090916